Was würde passieren, wenn die Ausnahmeregelung für Hochbleilote morgen auslaufen würde??

Dieser Artikel befasst sich mit der Ausnahmeregelung für bleihaltige Elektronik, mit möglichen Alternativen und mit der Frage, was passieren würde, wenn die Hersteller Pb ersetzen müssten. Er gibt Ihnen einen Überblick über die komplexen Thematik und enthält weiterführende Links für Ihre eigene Recherche.

Wichtig: Dieser Artikel konzentriert sich ausschließlich auf die technischen Herausforderungen und Aspekte der Alternativen. Er hat nicht die Absicht, politische Lobbyarbeit zu leisten oder eine Diskussion über die Richtlinie oder ihre Ausnahmen selbst anzustoßen.

Aktuelle Gesetzgebung zu bleihaltigen Loten

In den letzten Jahren wurden Umweltvorschriften erlassen, um die Verwendung von Blei in Elektrogeräten zu begrenzen. Die Europäische Union hat die sogenannte RoHs-Richtlinie hierzu herausgegeben (Restriction of Hazardous Substances RoHS directive). Die Richtlinie schränkt die Verwendung bestimmter Elemente in Elektro- und Elektronikgeräten (EEE) ein. Die elektronischen Geräte werden in folgende Kategorien eingeteilt:

1. Große Haushaltsgeräte.
2. Kleine Haushaltsgeräte.
3. IT- und Telekommunikationsgeräte.
4. Verbrauchsgüter.
5. Beleuchtungsgeräte.
6. Elektrische und elektronische Werkzeuge.
7. Spielzeug, Freizeit- und Sportgeräte.
8. Medizinische Geräte.
9. Überwachungs- und Kontrollinstrumente einschließlich industrieller Überwachungs- und Kontrollinstrumente.
10. Automatische Ausgabegeräte.
11. Sonstige, die nicht unter eine der oben genannten Kategorien fallen

Beschränkte Materialien

Die folgenden Stoffe unterliegen Beschränkungen (höchstzulässige Konzentration nach Gewicht):

• Blei (0,1 %)
• Quecksilber (0,1 %)
• Kadmium (0,01 %)
• Hexavalentes Chrom (0,1 %)
• Polybromierte Biphenyle (PBB) (0,1 %)
• Polybromierte Diphenylether (PBDE) (0,1 %)

Ausnahmen von der RoHs-Richtlinie

Es gibt jedoch befristete Ausnahmen von der RoHS-Richtlinie, die die Verwendung eingeschränkter Stoffe in bestimmten Anwendungen erlauben, wenn es keine technisch und/oder wirtschaftlich machbaren Alternativlösungen gibt.

Anhang III Ausnahmen 7(a) bezieht sich auf Lötlegierungen mit einem Bleianteil von 85 Gewichtsprozent oder mehr. 7(b) berücksichtigt Blei in Lötmitteln für Server, Speicher und Netzwerkinfrastruktur.
Die weitere Verlängerung der Ausnahmeregelungen wird von der Europäischen Kommission im Juli 2024 für jede Kategorie erneut geprüft – je nach Industrie. Die Kommission kann auf der Grundlage der neuesten wissenschaftlichen und technischen Erkenntnisse beschließen, die Ausnahmen zu widerrufen oder zu ändern.

Prüfung der Ausnahmen

Die Europäische Kommission hat das Oeko-Institut in Deutschland für die Bewertung der Ausnahmen von der Richtlinie 2011/65/EU (RoHS), die in den Anhängen III und IV aufgeführt sind. Auf deren Website finden Sie ausführliche Berichte über die technische Bewertung und eine Liste der interessierten Unternehmen, die die Befreiung beantragt haben.

Aktivitäten zur Suche nach Alternativen zu bleihaltigen Lotlegierungen

Weltweit arbeiten derzeit viele Unternehmen daran, Materialien mit hohem Bleianteil zu finden. Neben ihren internen Aktivitäten arbeiten verschiedene Konsortien an Kooperationseffekten. Eines dieser Konsortien in Deutschland ist das „Die-Attach 5“ DA5. DA5 prüft kontinuierlich Alternativen zu bleihaltigen Loten. Der neueste Bericht kann hier heruntergeladen werden .

Ein weiteres Konsortium ist die „Test & Measurement Coalition“ in Belgien. Ihre Berichte können auf der Website der European Union heruntergeladen werden.

Welche Lötlegierungen werden derzeit verwendet und warum?

Eine Liste der derzeit verwendeten Lote, die unter diese Ausnahmeregelung fallen, ist in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle 1: Liste der Lötlegierungen mit einem Bleigehalt (Pb) von >85% einschließlich Liquidus- und Solidustemperatur.

Es gibt mehrere Gründe für die Verwendung dieser bleihaltigen Lotlegierungen. Das Hauptziel besteht darin, eine Schmelztemperatur (Liquidus + Solidus) von mehr als 260°C zu erreichen, wobei eine Temperatur von ~300°C bevorzugt wird. Diese Temperatur ist notwendig, um die folgenden Schritte im Produktionsprozess durchzuführen, z. B.

• Ein zweiter Reflow-Schritt des Bauteils auf einer Leiterplatte mit einer Spitzentemperatur von ~250°C
• Kunststoffspritzguss zur elektrischen Isolierung mit einer Temperatur von ~240°C
• Hohe Anwendungstemperatur

Das Wiederaufschmelzen der ersten Legierung (die des hohen Bleigehalts) muss vermieden werden. Andernfalls könnten sich Bauteile aufgrund von flüssigem Metall verschieben oder die Zuverlässigkeit der Bauteile (z. B. durch übermäßige Bildung intermetallischer Verbindungen) beeinträchtigt werden.

Ein weiterer offensichtlicher Grund ist die Anwendungstemperatur. Einige elektronische Bauteile werden in rauen Umgebungen mit Temperaturen von über 200°C eingesetzt. Aufgrund von Kriech-Ermüdungsmechanismen sollte der Schmelzpunkt (Liquidus und Solidus) immer mindestens 60 °C über der Anwendungstemperatur liegen.

Ein weiterer Grund, der die bleihaltigen Lote einzigartig macht, ist ihre gute Benetzung auf sehr unterschiedlichen Oberflächen und Beschichtungsqualitäten. Dies ermöglicht ein breites Prozessfenster und eine stabile Produktion mit Ausbeute-Raten von nahezu 100 %. Selbst wenn die Qualität der Zulieferer starken Schwankungen unterliegt, werden der Prozess und das Produkt nicht beeinträchtigt, da die bleihaltigen Lote dies ohne Qualitätseinbußen verkraften.

Außerdem ist das Schmelzverhalten für das Löten wichtig. Normalerweise werden eutektische Lote bevorzugt (gleiche Solidus- und Liquidustemperaturen), während Legierungen mit einem Schmelzbereich (Solidus ≠ Liquidustemperatur) schwieriger zu löten sind. Zwischen Solidus und Liquidus können die Lote je nach Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit und/oder Verunreinigung unterschiedlich schmelzen. Um eine gute Lötstelle zu erhalten, ist eine gleichmäßigere Temperatur im Ofen erforderlich. Einige Bereiche des Ofens können eine andere Temperatur haben als andere Bereiche. Daher kann es sein, dass das Lot in einem Bereich des Ofens nicht vollständig oder nur für kurze Zeit schmilzt, während es in einem anderen Bereich des Ofens viel länger flüssig ist. Da die Zeit über Liquidus (ZÜL) für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Lötstelle wichtig ist, kann dies zu großen Abweichungen bei der Anwendung führen und die Kosten für den Kundendienst erhöhen.

Neben der Verarbeitung müssen auch die Anforderungen an die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Elektronik erfüllt werden. In diesem Fall bietet Blei eine hervorragende Duktilität (die Fähigkeit, sich unter mechanischer Belastung zu verformen, anstatt zu brechen wie Keramik). Während der Nutzung von Elektronik ist diese vielen verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Temperaturschwankungen und mechanische Schocks sind nur einige Beispiele. Eine hohe Duktilität verbessert die Fähigkeit der Materialien, diesen Belastungen standzuhalten. Blei kann sich verformen, wird aber aufgrund seiner hohen Duktilität nicht brechen.

Schließlich bietet Blei eine gute Beständigkeit gegen Korrosion (Verhalten in feuchter Umgebung und Oxidation bzw. Alterung durch Sauerstoff). Insbesondere die Oxidationsbeständigkeit ist wichtig für den Versand, die Lagerung und die Haltbarkeit. Lote mit hohem Bleigehalt können über Jahre hinweg verwendet werden, während andere Legierungen dazu neigen, innerhalb von Minuten oder Stunden Oxide zu bilden.

Warum ist es so schwer, Alternativen zu finden?

Die einzigartige Kombination von Materialeigenschaften macht es sehr schwierig, Alternativen für bleihaltige Lote zu finden. Die Anforderungen an die Alternativen sind:

• Schmelztemperatur zwischen 260 und 320..360°C
• Gute Benetzungseigenschaften
• Für Nickeloberflächen: Sn-Gehalt <3% zur Vermeidung von Ni-Auslaugung / Dealloying
• Duktilität von 20…200%
• Gleiche Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
• Gleiche thermische und elektrische Leitfähigkeit
• Ähnliche Preishöhe

Was die Lötlegierungen betrifft, so zeigt die nachstehende Liste die modernsten bleifreien Lötlegierungen mit einer Schmelztemperatur zwischen 250 und 360 °C.

Tabelle 2: Übersicht der Alternativen

Diskussion bleifreie Lotlegierungen

Erörtern wir die in Tabelle 2 aufgeführten Legierungen. Zinn-Antimon SnSb5 und SnSb10 werden häufig für die Verbindung von Substrat und Kühlkörper verwendet. Da kein Halbleiterchip als Verbindungspartner beteiligt ist, ist kein Auslaugen zu erwarten. Auch wenn das Ni eines Kühlkörpers, einer Grundplatte oder einer Wasserdüse auslaugt, ist die Auswirkung normalerweise nicht so groß, da die Metallisierung dick genug ist (>6µm) oder sich unter dem Nickel Kupfer befindet. Abgesehen von den technischen Eigenschaften von Antimon, steht es auch auf der CoRAP-Liste der Europäischen Union. Nach Angaben der Europäischen Chemikalienagentur ECHA bedeutet CoRAP: „Wenn ein Stoff auf dieser Liste steht, bedeutet dies, dass ein Mitgliedstaat ihn bewertet hat oder in den kommenden Jahren bewerten wird. Die Liste wird als Community rolling action plan (CoRAP) nezeichnet”. In diesem Zusammenhang steht Sb im Verdacht, krebserregend zu sein.

Leider kann diese Legierung aufgrund der Ablegierungs-Effekten nicht für Halbleiteranbindungen verwendet werden. Im Allgemeinen sind alle Sn-Basis-Legierungen in der Liste nicht für dünne Au-, Ag- oder Ni-Beschichtungen mit darunter liegenden nicht lötbaren Materialien wie Aluminium oder Titan geeignet.

Eine weitere Gruppe von Legierungen in Tabelle 2 besteht aus Loten auf Bismutbasis. Bi ist sehr spröde und muss daher mit anderen Elementen gemischt werden. Daher kann reines Bismut nicht zum Löten von Elektronik verwendet werden oder nur für spezielle Anwendungen, bei denen keine Duktilität erforderlich ist. Neben der Duktilität hat Bismut eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit von nur 10 W/mK, während Blei mit ~35 W/mK eine mehr als dreimal so hohe Leitfähigkeit aufweist. Die Legierung aus Bismut (89%) und Silber (11%) hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit, aber auch einen extremen Schmelzbereich von 100°C, der von 262°C bis 360°C reicht. Daher ist sie sehr schwer zu löten.

Die einzigen verbliebenen Legierungen sind Lote auf Goldbasis. Aufgrund des hohen Preises werden diese Lote nur in speziellen Anwendungen wie Lasern, Luft- und Raumfahrt oder Militär eingesetzt. Für Verbraucher- oder Großserienprodukte ist es nicht möglich, Elektronik wirtschaftlich herzustellen.

Andere Alternativen für bleihaltige Lotlegierungen

In den letzten Jahren sind mehrere Alternativen entwickelt worden. Dazu gehören:

• Metallisches Sintern mit Silber oder Kupfer und mit oder ohne Druck
• Hybride aus metallischen Sinterpartikeln und Epoxidharzen
• Diffusionslote
• Neue Legierungsentwicklungen

Metallisches Sintern

Eine vielversprechende Alternative zu hohem Blei ist das metallische Sintern. Bei diesem Verfahren werden Silber- oder Kupferpartikel bei einer Temperatur von 200-300 °C gesintert. Das Verfahren kann mit und ohne Druck durchgeführt werden. Auf dem Markt sind verschiedene Varianten (z. B. Cu-Mikropasten) sowie Hybride aus epoxidgefüllten Sintermaterialien erhältlich. Gesinterte Metalle bieten eine überragende Zuverlässigkeit (bis zu 20-fache Steigerung im Vergleich zu bleihaltigen Materialien) sowie eine 10-fach bessere Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.

Warum nutzt die Industrie nicht bereits das metallische Sintern als Ersatz für Hochbleilote?

Der größte Nachteil sind die Kosten. Im Vergleich zu bleihaltiger Lotpaste ist das Sintermaterial etwa 20 mal teurer (Cu-Sintermaterial) bzw. bis zu 50 mal teurer (Ag-Material).

Außerdem gibt es aufgrund der fehlenden flüssigen Phase keinen Ausgleich von Prozessschwankungen. Dies hat zur Folge, dass bei den Vorprozessen wie Druck oder Dosierung eine wesentlich höhere Genauigkeit erforderlich ist.

Für das Drucksintern wird außerdem eine Presse benötigt, was zu erheblichen Investitionen in die Ausrüstung führt.

Im Gegensatz dazu kann das drucklose Sintermaterial mit herkömmlichen Umluft-Konvektionsöfen verarbeitet werden. Leider beträgt die typische Prozesszeit 30 Minuten bis zu mehreren Stunden. Im Vergleich dazu dauert ein Standard-Reflow-Profil für bleihaltige Lote nur 4-5 Minuten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das metallische Sintern als Ersatz für das bleihaltige Lot verwendet werden kann, wobei höhere Materialkosten und Investitionen in neue Anlagen in Betracht gezogen werden müssen. Mit den laufenden Entwicklungen ist zu erwarten, dass die Preise – insbesondere für Cu-Sinterwerkstoffe – in den nächsten Jahren deutlich sinken und die Prozesszeiten für den drucklosen Sinterwerkstoff kürzer werden.

Flüssigphasenbonden / Diffusionslöten

Der Prozess hat in der Industrie viele Namen:

• Transient liquid phase sintering (TLPS)
• Transient liquid phase bonding (TLPB)
• Diffusionslöten
• Diffusionsbonden

Das Prinzip ist immer das gleiche. Ein Lötmaterial, das aus zwei oder mehr Metallen besteht, bildet eine intermetallische Verbindung, die eine höhere Schmelztemperatur hat als das zu Beginn des Prozesses verwendete Material. Zum Beispiel hat eine intermetallische Verbindung aus Kupfer und Zinn einen Schmelzpunkt von 415°C. Während des Prozesses schmilzt Sn bei 232°C und bildet eine intermetallische Schicht, wenn Kupfer vorhanden ist. Da die Diffusionsschicht und der Prozess nur für eine Dicke von einigen Mikrometern innerhalb einer angemessenen Lötzeit von einigen Minuten funktionieren, muss die Schicht sehr dünn sein. Schichten von 10µm oder weniger und normalerweise glatte oder polierte Oberflächen sind erforderlich. Das Material hat sich in der Massenproduktion bewährt, erfordert jedoch eine spezielle Ausrüstung, um einen geringen Druck auf die Verbindung auszuüben, damit sich die intermetallische Verbindung bilden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das TLPS-Material eine Alternative zu bleihaltigen Loten darstellen kann. Da dünne Schichten und glatte Oberflächen sowie ein Druck von einigen Gramm erforderlich sind, ist es keine einfache Ersatzlösung für bleihaltige Lote.

Neue Legierungsentwicklungen

Um Hochbleilote in elektronischen Geräten erfolgreich zu ersetzen, scheint die Entwicklung neuer Legierungen die beste Option zu sein. Auf der Grundlage der TLPS-Technologie oder einer gemischten Legierungstechnologie könnte ein neues Material entstehen, das als Ersatzlösung für bleihaltige Lote verwendet werden kann. Vom Standpunkt des Materials aus gesehen können Legierungen auf Indiumbasis die erforderlichen Eigenschaften erreichen.

Ein Diffusionslot, das unter 200 °C verarbeitet werden kann und bei >350 °C wieder schmilzt, könnte ebenfalls eine Lösung sein. Insbesondere wenn Polymere oder Transferformen im Spiel sind, ist ein Schmelzpunkt unterhalb der Glasübergangstemperatur von 180…220°C erforderlich, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Polymere nicht zu beeinträchtigen.

Was würde passieren, wenn die Ausnahmeregelung für Hochbleilote morgen auslaufen würde?

Die typische Ingenieursantwort lautet: es kommt darauf an!

Gibt es Alternativen zu hohem Blei, die sofort verwendet werden können? ja, aber…

• Neue Anlagen werden benötigt (z. B. für das Sintern von Ag)
• Prozesswissen und geschulte Mitarbeiter werden benötigt
• Die Lieferkette muss angepasst werden
• Es müssen mehr Forschungs- und Entwicklungsressourcen für diese Tätigkeit bereitgestellt werden.
• Jemand wird dafür bezahlen!

Würden die Kosten für die Endkunden und Nutzer steigen? Auf jeden Fall!

Würden bestimmte Produkte nicht mehr hergestellt werden? Unwahrscheinlich, solange die Kunden bereit sind, höhere Preise für den technologischen Wandel und die neuen benötigten Materialien zu zahlen.

Würden Produktionsunternehmen darunter leiden? Jeder technologische Wandel ist eine Herausforderung und eine Chance. Es wird mit Sicherheit Gewinner und Verlierer geben.

Würde es die Innovation beschleunigen, Alternativen zu finden? Auf jeden Fall!