Dr.-Ing. Thomas Ahrens, Fraunhofer ISIT, Itzehoe. Tel

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1 Bleifreies Handlöten Dr.-Ing. Thomas Ahrens, Fraunhofer ISIT, Itzehoe. Tel Zusammenfassung Mit Blick auf die Umstellung von bleihaltigen zu bleifreien Lotlegierungen in der elektronischen Baugruppenfertigung werden im folgenden verschiedene Parameter der Handlötung an Durchsteck-Bauteilen behandelt. Die Aufgabe ist wie beim Maschinenlöten auch hier die um ca. 40 C höhere Schmelztemperatur der bleifreien SAC (Zinn-Silber-Kupfer) oder SnCu (Zinn- Kupfer) -Lote gegenüber dem eutektischen Zinn-Blei-Lot, und der Versuch, mit möglichst wenig Änderung der Materialien (Leiterplatten, Bauelemente) zu löten. Das Handlöten wird für spezielle Fertigungen gebraucht, zum Einbau von Sonderbauteilen zu bereits gelöteten Leiterplatten und für Reparatur- und Nacharbeiten. Der entscheidende Vorteil des Handlötens gegenüber dem Maschinenlöten ist, dass der Löter den Lötverlauf visuell verfolgen und sich den Änderungen der Verhältnisse, z.b. der Benetzung, anpassen kann. Aus diesem Grund werden auch heute noch viele der Anschlüsse mit höchsten Zuverlässigkeits- Forderungen, z.b. für die Raumfahrt, von Hand gelötet. IPC/JEDEC-J-STD-020C beschreibt die Qualifikation der notwendigen Lötwärmebeständigkeit für bleifreie aktive SMT-Bauelemente für den Rework-Prozess bis 260 C 1. Dies ist nicht direkt auf Durchsteck-Bauelemente übertragbar; vielmehr muss sichergestellt werden, dass beim Löten die höchste vom Hersteller zulässige Innentemperatur nicht überschritten wird. Die Grenze der Lötwärmebeständigkeit der Leiterplatte wird mit Hilfe visueller Kriterien, hier einer erkennbaren Delamination sowie unzulässiger Padabhebung festgelegt. Im Nachhinein wird zur Verifikation im Querschliff der Zustand von Kupferhülsen und Innenlagenanbindungen geprüft. Als Basisinformation wird zunächst der Einfluss der Handhabungs- und Werkzeugparameter beschrieben, dann wird eine optimale Lötprozedur ermittelt, d. h. eine Prozedur, die zu einem visuell optimalen Ergebnis führt. Unter Einbeziehung der Lötwärmebeständigkeit, dem Lötwärmebedarf und des Wärmeübergangs von der Wärmequelle zur Lötstelle werden die Grenzen der Prozessfenster bestimmt. Damit erhält man für die Praxis eine Information zu schädigungsfreier Löttemperatur und Lötzeit mit bleifreien Legierungen. Das Prozessfenster verengt sich unter Anwendung bleifreier SAC und noch mehr der SnCu- Legierungen in Zeit und Temperatur. Die Zeit bis zum Durchstieg des bleifreien Lotes von der Löt- auf die Bauelementseite verlängert sich gegenüber SnPb um %. Einleitung: Löten heißt aufschmelzen, benetzen, erstarren. Lötbarkeit setzt sich zusammen aus den drei Elementen Benetzbarkeit, Lötwärmebedarf, und Lötwärmebeständigkeit. 1 IPC/JEDEC-J-STD-020C, Section 4.1 Compatibility with Pb-Free Rework Unless otherwise specified by the device manufacturer, a Pb-free component (classified per Table 4.2), shall be capable of being reworked at 260 C within eight hours of removal from dry storage or bake, per J-STD-033. To verify this capability for a component classified at a temperature below 260 C, a sample of the size per shall be soaked per Level 6 conditions (see Table 5-1) using a Time on Label (TOL) of eight hours, and reflowed at a classification temperature of 260 C. All devices in the sample shall pass electrical test and have a damage response per 6.1 and 6.2 not greater than that observed for the same package at its rated MSL level. A component rated at 260 C does not require this rework compatibility verification.

2 Die Benetzbarkeit ist eine Eigenschaft der Kombination von Lot und Werkstoffoberfläche. Sie wird vom Flussmittel unterstützt oder erst ermöglicht; die Wirkung des Flussmittels hängt von der Temperatur und der Lötatmosphäre ab, kann also z. B. durch Schutzgas unterstützt werden. A Flussmittellösung liegt auf der oxidierten Metalloberfläche B Kochende Flussmittellösung (z. B. Chloride) entfernt den Oxidfilm C Blanke Metalloberfläche in Berührung mit dem geschmolzenen Flussmittel D Flüssiges Lot verdrängt das Flussmittel E Lot reagiert mit dem Grundmetall unter Legierungs- (Phasen-) Bildung F Legierungsschicht erstarrt Quelle: DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Herstellungsverfahren Bild 1: Reaktionen an der Lötspitze Der Lötwärmebedarf wird durch die thermischen Eigenschaften der Fügeteile bestimmt. Dazu gehören die thermische Masse (Produkt aus Volumen, Dichte und spezifischer Wärmekapazität) und die Wärmeleitfähigkeit. Das Lötverfahren trägt mit einem möglichst effektiven Wärmeübergang erheblich zum Löterfolg bei. Zitat Klein Wassink 2 : Stelle einen guten Wärmekontakt zwischen der Lötspitze und der Lötstelle her. Dieser gute Kontakt kann nur über das flüssige Lot erzielt werden. Lass das Flussmittel seine Wirkung an den entsprechenden Stellen verrichten. Das Flussmittel muss frei auf die zu lötende Stelle kommen. Flussmittel fördert den Wärmeübergang. Erhalte den Kontakt zwischen Lötkolben und zu lötender Stelle so lange aufrecht, bis das Lot gut verlaufen ist. Verwende nur soviel Lot wie notwendig. Bei bedrahteten Anschlüssen sollte die Kontur der Drähte sichtbar bleiben. Die Bauteile dürfen sich während der Erstarrung nicht bewegen. (Zitat Ende). Das gilt alles erst recht für das bleifreie Löten! Lötwärmebedarf und Lötwärmebeständigkeit sind gegenläufige Forderungen. Auch das Werkzeug, hier die Lötspitze hat nur eine begrenzte Lötwärmebeständigkeit und unterliegt einem Verschleiß. Die Oberfläche löst sich im flüssigen Lot. Einerseits muss die Lötspitze benetzbar sein eine benetzbare Oberfläche löst sich aber im flüssigen Zinn; andererseits soll sie sich nicht zu schnell auflösen dazu werden Oberflächenschichten wie z. B. Eisen gewählt, die aber eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und damit einen niedrigen Wärmeübegang haben. 2 Klein Wassink Weichlöten in der Elektronik Leuze-Verlag (1992)

3 Intention und Versuchsbeschreibung Das Dilemma beim Löten ist, dem Lötwärmebedarf zu genügen und die Grenzen der Lötwärmebeständigkeit nicht zu überschreiten. Dieses Prozessfenster gilt es zu quantifizieren. Die Lötwärmebeständigkeit der bedrahteten Bauteile ist fast immer niedriger als die Löttemperatur. Aus diesem Grund müssen solche Bauteile mit der Wärmeüberschussstrategie gelötet werden. Praktisch heißt das, dass die Lötung fertig sein muss, bevor die Innentemperatur der Bauteile die Grenzen der Lötwärmebeständigkeit erreicht oder überschreitet. Mit dem bleifreien Löten kommen Probleme der Lötwärmebeständigkeit sowohl von Seiten der Bauelemente und Leiterplatten, als auch der Werkzeuge erschwerend zur Prozessführung hinzu. Der Lötwärmebedarf steigt aufgrund der höheren Schmelztemperatur der SAC und SnCu-Lote. Beim Löten auf Sicht können Löterfolg und thermische Überlastung aufgrund visueller Kriterien noch während des Lötvorganges entschieden werden. Im vorliegenden Fall wurde eine Leiterplatte mit einfachen Stiftleisten als Versuchsobjekt gewählt. Daran lassen sich eingeführte visuelle Kriterien 3 gut zur Bewertung durch das Fertigungspersonal heranziehen: Die Lötstellenoberfläche soll gleichmäßig und glatt sein (Glanz ist nicht erforderlich). Das Lot soll von den zu fügenden Teilen aus dünn auslaufen (kleiner Kontaktwinkel). Die Lötstellenoberfläche soll nicht unterbrochen sein. Die Konturen der gelöteten Teile sollen in der Lötstelle erkennbar sein. Die Lötstelle muss ausreichend Lot enthalten. Die Intention hier ist also, eine an jedem Arbeitsplatz nachvollziehbare Bewertung vom bleihaltigen auf den bleifreien Lötprozess zu übertragen und gleichzeitig zur Optimierung des bleifreien Handlötens zu nutzen. Bild 2: Ausschnitt aus dem Testboard zum bleifreien Handlöten; Oberfläche bleifrei HAL, Lot SN100C = SnCu0,7Ni0,05; Kupferschichtstärke 70 µm; gezeigt sind unterschiedlich starke Kupfer-Anbindungen an die Durchkontaktierungen; Das Testboard (FR4) hat das Europa-Format 100x160mm mit einer Dicke von 1,55mm, Bohrdurchmesser 1mm. Die Leiterplatten für die Lötversuche sind bleifrei heißverzinnt. Bild 3: 24-polige Stiftleiste, Pinabstand=2mm Bild 4: Lötabstand für eine einseitige (links) und für eine beidseitige Leiterplatte Für die Versuche wird eine zweireihige Stiftleiste mit 24 bleihaltig verzinnten Pins und einem Pinabstand von 2mm verwendet. Der Lötabstand ( Lötentfernung ) beträgt für die äußere 3 IPC-A-610C Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen

4 Reihe 5,45mm und für die innere Reihe 2,45mm. Da die Materialien der Stiftleiste beim Löten nicht thermisch beschädigt werden können, muss der Lötabstand nicht groß sein. Er sollte eher klein gewählt werden, da die Metalldrähte eine hohe thermische Masse haben und damit der Lötstelle viel Wärme entziehen. Die folgende Tabelle zeigt die verwendeten Lotdrähte. Der Flussmittelanteil ist ausschlaggebend für die Benetzungsqualität. Merkmale Lotlegierung Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Ni<0,1% Sn-Cu Sn-Pb Zusammensetzung SnAg3.0Cu0.5 Sn99.3Cu0.7Ni Sn99Cu1 Sn60Pb40 Schmelztemperatur [ C] 217 (eutektisch) 227 (eutektisch) 227 (eutektisch) 183 (eutektisch) Drahtdurchmesser [mm] 0,6 0,5 0,7 0,5 Flussmittelanteil [Gewichts%] Fluxtyp Tabelle 1: verwendete Lotlegierungen 3,4 3,5 1,5 2,5 Alle no-clean halogenfrei Die gewählte Mindestlötspitzentemperatur ist primär abhängig von der Liquidustemperatur der Lotlegierung. Außerdem hängt die Mindesttemperatur an der Lötspitze von der Wärmekapazität des Werkstückes, der thermischen Masse der Lötspitze und der jeweiligen Lötstelle ab. Der Schmelzpunkt von bleifreien Loten ist um 20K bis 45K höher als bei bleihaltigen Loten. Die Minimaltemperatur muss nicht in dem selben Maße wie die Liquidustemperatur höher gesetzt werden: Eine geringere Temperaturerhöhung ist ausreichend, dies geht aber zu Lasten der Lötsicherheit. Die Temperaturerhöhung ist abhängig vom Fließverhalten des Lotes und damit bestimmt durch die Oberflächenspannung und das Flussmittelsystem. Auf die Liquidustemperatur addiert man 55K für eine gute Benetzung und 25K für das Prozessfenster. Demnach sollte die Mindestlötspitzentemperatur 80K über der Liquidustemperatur des jeweiligen Lotes liegen. Die ESA PSS empfiehlt für bleihaltige Legierungen Spitzentemperaturen von mindestens 280 C und maximal 320 C 4. In den IPC Reparaturvorschriften wird eine Starttemperatur für das Handlöten von 315 C empfohlen 5. Für die Versuche wird eine keilförmige Lötspitze mit den Abmessungen 1,3x0,6mm benutzt. Sie ist so breit wie der Pad-Durchmesser, um einen bestmöglichen Wärmeübertrag vom Lötkolben zur Lötstelle zu erhalten. Die Versuche sollten nach Möglichkeit ohne zusätzliches Flussmittel durchgeführt werden. Das Sn-Cu-Lot hat mit 1,5%Gewicht bei einem Drahtdurchmesser von 0,7mm einen so geringen Flussmittelanteil, dass mit diesem Lot ohne zusätzliches Flussmittel keine ausreichend gute Lötung erreichbar ist. Deshalb wurde zusätzlich ein synthetisches no-clean Flussmittel mit einem Flussmittelstift aufgetragen. Das SnCuNi-Lot hat mit 3,5% genügend eigenes Flussmittel, diese Menge führt jedoch bei den erforderlichen Spitzentemperaturen zu Flussmittelspritzern auf der Leiterplattenoberfläche. 4 ESA PSS : The manual soldering of high reliability electrical connections; March IPC 7711/7721: Rework of Electronic Assemblies & Repair and Modification of Printed Boards and Electronic Assemblies

5 Das Diagramm (Bild 5) zeigt einen optimierten und erprobten Ablauf zur Lötung von Bauelementen in Durchsteckmontage. NEIN START Arbeitsplatz- u. werkzeug u. Material(Lot) vorbereiten Sauberkeit genügt den IPC Richtlinien JA Lötspitze auswählen Kolben auf gewünschte Temperaur NEIN THD durchkontaktieren Bauteil und Leiterplatte parallel JA Lotdraht auf Lötauge und Anschlussbein halten NEIN Alle Anschlüssse verlötet? JA Lötung fertig. Kolben positionieren. Wärmebrücke erzeugen (eng. solder heat bridge) JA Lotdraht und Kolben wegziehen Lot erstarren lassen Lötung genügt den Qualitätsanforderungen? Bild 5: Flussdiagramm manuelle THT-Lötung Nacharbeit (maximal zulässige Anzahl Nachlötungen festlegen NEIN

6 Mit den Loten Sn-Ag-Cu, Sn-Pb, Sn-Cu und Sn-Cu-Ni werden bei den Temperaturen 300 C, 325 C, 350 C und 375 C Lötstellen hergestellt. Mit einer Videokamera wird der Lötvorgang aufgezeichnet. Aus dem Videofilm werden die entsprechenden Lötzeiten ermittelt. Für die Erfassung der Untergrenze des Lötprozessfensters ist die Vorgehensweise wie folgt: Es wird solange gelötet bis eine vollständige Pad- Benetzung erreicht ist. Dies entspricht der Mindestlötdauer bei entsprechender Temperatur. Eine vollständige Pad- Benetzung ist erreicht, wenn das Pad zu 100% mit Lot benetzt ist. Für die Erfassung der Obergrenze des Lötprozessfensters wird solange gelötet, bis eine Fleckenbildung (Measling 6 ) zu sehen ist. Praktisch heißt das, bis sich eine weiße Verfärbung auf der Leiterplatte zeigt. Ergebnisse und Diskussion Für die Untergrenze des Prozessfensters wird pro Zustand (=Legierung/Temperatur) eine Stiftleiste mit 24 Pins verlötet. Insgesamt werden bei vier verschiedenen Loten und Temperaturen 24*4*4 = 384 Lötstellen hergestellt. Im nachfolgenden Diagramm sind die Durchschnittswerte (Lötzeiten) pro Zustand abgebildet. Lötzeiten 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb 1,5 1,0 0,5 0, Bild 6: Lötzeiten Untergrenze des Prozessfensters Bei allen Loten verkürzt sich die Lötzeit bei Erhöhung der Temperatur. Wie erwartet zeigt das Sn-Pb-Lot die kürzeste Lötzeit bei allen Temperaturen. Die längste durchschnittliche Lötzeit bei allen Temperaturen weist das Sn-Cu-Ni-Lot auf. Das Sn-Cu-Lot hat bei allen Temperaturen, 6 Nach IPC A 610 C ist Fleckenbildung (Measling) Ein innerer Zustand, der im laminierten Basismaterial erscheint, wobei sich die Glasfaser an Gewebeschnittpunkten vom Harz trennt. Dieser Zustand zeigt sich in Form von abgegrenzten weißen Flecken oder Kreuzen unter der Oberfläche des Basismaterials und steht gewöhnlich in Verbindung mit thermischer Belastung.

7 außer bei 375 C, eine kürzere durchschnittliche Lötzeit als das Sn-Ag-Cu-Lot, obwohl das Sn- Ag-Cu-Lot einen um 10 K niedrigeren Schmelzpunkt aufweist. Dies ist auf die zusätzliche Verwendung von Flussmittel beim Sn-Cu-Lot zurückzuführen. 1,1 Streuung der Lötzeiten 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb 0,5 0,4 0, Bild 7: Streuung der Lötzeiten Untergrenze des Prozessfensters Die Lotlegierung Sn-Pb weist in der Lötzeit die geringste Streuung bei allen Temperaturen auf. Das Sn-Cu-Ni-Lot weicht bis 350 C am stärksten bei der Lötzeit ab. Die Legierung Sn-Cu hat eine bessere Reproduzierbarkeit der Lötzeiten als das Sn-Ag-Cu-Lot. Der Grund könnte auch hier (vgl. durchschnittliche Lötzeiten) die zusätzliche Verwendung von Flussmittel sein. Für die Obergrenze des Prozessfensters wird pro Zustand (=Legierung/Temperatur) ebenfalls eine Stiftleiste mit 24 Pins verlötet. Insgesamt werden bei vier verschiedenen Temperaturen und zwei verschiedenen Loten (Sn-Ag-Cu und Sn-Cu-Ni) 24*4*2 = 192 Lötstellen hergestellt. Da die Ermittlung des oberen Prozessfensters an einer Fleckenbildung im Laminat festgemacht wird und damit von der verwendeten Legierung unabhängig ist, wurden nicht alle in Tabelle 1 aufgelisteten Lotlegierungen für diesen Teilversuch benutzt. Für das obere Prozessfenster sind die Durchschnittswerte und die dazugehörigen Standardabweichungen STABWN gebildet worden. Untergrenze der Bandbreite (unterer Grenzwert): Die kürzesten Lötzeiten, bei denen eine Measling Bildung aufgetreten ist. Obergrenze der Bandbreite (oberer Grenzwert) : Die längsten Lötzeiten, bei denen eine Measling Bildung aufgetreten ist. Je höher die Temperatur desto schneller bilden sich Measlings. Die Standardabweichung nimmt bei Erhöhung der Temperatur ab. Je höher die Temperatur ist, desto zuverlässiger lässt sich somit die Zeit bis zur Fleckenbildung vorhersagen.

8 25 Grenzwerte der Fleckenbildung 20 durchschnittliche Lötzeit unterer Grenzwert oberer Grenzwert Standardabweichung Bild 8: Lötzeiten Obergrenze des Prozessfensters, d. h. mittlere Zeit bis zur Fleckenbildung Vor allem bei niedrigen Temperatureinwirkzeiten bilden sich die Flecken in einigen Fällen zurück. Die Measlings werden häufig mit einer Zeitverzögerung wahrgenommen, weil die Fläche unter dem Lötkolben nicht sichtbar ist und die Bildung des Measling in dieser Fläche beginnt. Die hohe Streuung in der Lötzeit der Fleckenbildung (Tabelle 2) ist wahrscheinlich auf den ungleichmäßigen Faseraufbau der Leiterplatte zurückzuführen. 300 C 325 C 350 C 375 C φ Lötzeit [s] 14,91 11,25 9,18 7,23 Untergrenze [s] 9,00 7,90 6,00 4,97 Obergrenze [s] 21,87 22,85 14,05 13,88 STABWN [s] 3,62 3,80 2,26 1,97 Tabelle 2: Bandbreite der Fleckenbildung Ein weiterer Grund für die hohe Streuung der Zeit bis zur Measlingbildung kann das unterschiedliche Verhältnis der Berührungsflächen zwischen Lötspitze, Lot, Pin und Kontaktpad sein. Bild 9: Measling (weiße Fleckenbildung) auf der Primärseite (Bauteilseite)

9 Durchstiegszeiten In diesem Abschnitt sind die Durchstiegszeiten dargestellt. Die Durchstiegszeit ist die Zeit, die das Lot benötigt, um von der Lötseite zur Bauteilseite zu gelangen. Bei der Durchstiegszeit ist ein vollständiger Durchstieg (=100% Füllgrad) des Lotes von der Lötseite zur Bauteilseite gewährleistet. Für die erhaltenen Messwerte, 24 Stück pro Zustand, werden die Durchschnitte und die Standardabweichungen STABWN gebildet. 325 C 350 C 375 C φ Lötzeit [s] 2,5 2,04 1,83 Untergrenze [s] Obergrenze [s] STABWN [s] 0,83 0,58 0,52 Tabelle 3: Durchstiegszeiten Untergrenze der Durchstiegzeit: Die kürzesten Lötzeiten, bei denen ein vollständiger Durchstieg erfolgt. Praktisch ist das die minimale Zeit, die für ein vollständigen Durchstieg benötigt wird. Obergrenze der Durchstiegszeit : Die längsten Lötzeiten, bei denen ein vollständiger Durchstieg erfolgt. Bei voller Ausnutzung dieser Lötzeit ist ein vollständiger Durchstieg bei der entsprechenden Temperatur auf jeden Fall gewährleistet. 4,0 3,5 3,0 Durchstiegszeiten durchschnittliche Durchstiegszeit Standardabweichung Untergrenze der Durchstiegszeit Obergrenze der Durchstiegszeit 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Bild 8: Durchstiegszeiten

10 Untergrenze des Prozessfensters: Auf die durchschnittlichen Lötzeiten wird die Standardabweichung addiert um ein robustes Zeit- Prozessfenster zu erhalten. Die sich daraus ergebenden Lötzeiten bei entsprechender Temperatur sind in Tabelle 4 aufgeführt. Sn-Ag-Cu Zeit [s] Sn-Cu-Ni Zeit [s] Sn-Cu Zeit [s] Sn-Pb Zeit [s] 300 C 4,09 5,63 3,52 2, C 3,62 4,76 3,02 2, C 2,84 3,23 2,79 2, C 2,42 2,71 2,36 1,54 Tabelle 4: Untergrenze des Prozessfensters. Die Zeiten sind die durchschnittlichen Lötzeiten plus die Standardabweichung Obergrenze des Prozessfensters, d. h. die kleinsten Lötzeiten, bei denen eine Measling Bildung entdeckt wurde. In Tabelle 5 sind die Daten zum Prozessfenster Ι aufgeführt. Löttemperatur [ C] 300 C 325 C 350 C 375 C t max [s] 9 7,9 6 4,97 t min [s] Sn-Ag-Cu 4,09 3,6 2,8 2,42 Sn-Cu-Ni 5,63 4,8 3,2 2,71 Sn-Cu 3,52 3 2,8 2,36 Sn-Pb 2,69 2,4 2 1,54 Tabelle 5: Daten zum Prozessfenster Ι. t max =Obergrenze des Zeit- Prozessfensters, t min =Untergrenze des Zeit-Prozessfensters Aus den nachfolgenden 4 Diagrammen ist erkennbar, dass das Sn-Pb-Standardlot verglichen mit den bleifreien Loten das breiteste Prozessfenster hat. Außerdem geht mit Erhöhung der Lötspitzentemperatur eine Verengung des Zeit-Prozessfensters einher (Bilder 9-13). Von den bleifreien Loten hat das Sn-Cu-Ni-Lot das engste Prozessfenster.

11 9 8 7 Prozessfenster I Sn-Pb Kurve A Kurve B T L =183 C Bild 9: Prozessfenster des Sn-Pb-Lotes Prozessfenster I Sn-Cu-Ni Kurve A Kurve B T L =227 C Bild 10: Prozessfenster des Sn-Cu-Ni-Lotes

12 9 8 Prozessfenster I Sn-Ag-Cu Kurve A Kurve B T L =217 C Bild 11: Prozessfenster des Sn-Ag-Cu-Lotes Prozessfenster I Sn-Cu Kurve A Kurve B T L =227 C Bild 12: Prozessfenster des Sn-Pb-Lotes

13 Gesamtbewertung unter Einbeziehung metallographischer Schliffe Bild 13: Sn-Ag-Cu 300 C, Sn-Cu-Ni 300 C, Sn-Pb 300 C (von links nach rechts) Wie die Schliffbilder (Bild 13) zeigen, tritt bei einer Löttemperatur von 300 C bei bleifreien Legierungen reduzierte Benetzung auf und der Durchstieg beträgt nicht in jedem Fall mindestens 75%. Kleine Änderungen der Verhältnisse der Berührungsflächen zwischen Lötkolben, Pin und Kontaktpad bewirken dann schon große Veränderungen im Durchstieg. Der Lötprozess ist also für bleifreie Legierungen bei 300 C nicht robust. Das Lot steigt an der Metallfläche entlang, die am längsten berührt wird. Beim Sn-Pb-Lot ist bei einer Löttemperatur von 300 C ein 100% Durchstieg und eine vollständige Anbindung des Lotes gewährleistet. Bild 14: Sn-Cu 300 C, Sn-Cu 375 C, Sn-Cu-Ni 375 C (von links nach rechts gelesen) Die Porenbildung ist beim Sn-Cu-Lot am stärksten ausgeprägt (Bild 14), sowohl von der Größe als auch von der Anzahl der Poren. Allgemein nimmt die Porenbildung mit zunehmender Temperaturen zu. Das Sn-Cu-Ni-Lot zeigt bei allen Temperaturen nahezu keine Porenbildung und ist damit in diesem Punkt dem Sn-Pb-Lot sehr ähnlich. Das Sn-Ag-Cu-Lot weist eine höhere Porenbildung als das Sn-Pb-Lot auf. Bild 15: Sn-Ag-Cu 350 C; links: Übersicht; Mitte: Dendritische Struktur am Leiterplattenkupfer, Bauteilseite; rechts: Dendritische Struktur Ni-Schicht am Pin, Lötseite Bild 15 zeigt das Schliffbild einer Lötung mit dem Sn-Ag-Cu-Lot bei einer Löttemperatur von 350 C. Diese Legierung ist das bleifreie Objekt mit dem besten Gesamtergebnis.

14 Abschlussbetrachtungen Das Prozessfenster für das manuelle Löten konnte in dieser Arbeit eingegrenzt werden. Damit werden dem industriellen Anwender Informationen bereit gestellt, die einen sicheren Handlötprozess und damit auch einen sicheren Reparatur- und Nacharbeitsprozess ermöglichen. Die Ergebnisse kann man so zusammenfassen: bei Verwendung bleifreier Lote sind die Lötzeiten länger, die Ergebnisse ungleichmäßiger und die Arbeitstemperaturen höher. Das Prozessfenster wird demnach sowohl in Zeit als auch in Temperatur eingeengt. Die zwecks der Zeiterfassung produzierten Videofilme und die optimierten Lötprozeduren können für Schulungszwecke benutzt werden. Bisher sind kaum systematische Untersuchungen zur Zuverlässigkeit reparierter oder nachgearbeiteter Baugruppen durchgeführt wurden. Hierbei wurde insbesondere der bleifrei Aspekt nicht berücksichtigt. Ein weiteres Ziel sollte sein, die in dieser Arbeit erhaltenen Daten zum Handlötprozess durch Zuverlässigkeitsuntersuchungen abzusichern. Diese Arbeiten wurden am Fraunhofer ISIT von Frau Seher Kurnaz im Rahmen einer Diplomarbeit für die Fachhochschule in Wedel durchgeführt.