Prozessentwicklung für das flussmittelfreie Weichlöten (Teil 2)

In der Artikelreihe Prozessentwicklung für das flussmittelfreie Löten gehen wir im 2. Teil auf die Lotlegierung und die Reduktionsmittel-Wirktemperatur ein.

Lotlegierung

Die Wahl der Lotlegierung spielt für den Erfolg des Produkts eine entscheidende Rolle. Folgende Randbedingungen müssen beachtet werden:

  • Preis
  • Schmelztemperatur: Eutektikum oder Schmelzbereich
  • Benetzungsverhalten
  • Neigung zur Erstarrungslunkern
  • Temperaturabhängige Materialeigenschaften (E-Modul, Streckgrenze, Kriecheigenschaften)
  • Intermetallische Phasen mit den Fügepartnern bzw. Oberflächen
  • Lastwechselfestigkeit bzw. Lebensdauer
  • Gesetzgebung (z.B. RoHS und Verbot von Blei)
  • Notwendige Lagerungsbedingungen
  • Haltbarkeit an Luft
  • Verarbeitbarkeit (Bestückungsprozess)
  • Interaktion mit Haftvermittlern

Anhand des Schmelzpunktes (Eutektikum) bzw. Schmelzbereiches wird die maximale Temperatur des Lötprozesses (Löttemperatur) bestimmt. Bei einer Legierung mit einem Schmelzbereich muss festgelegt werden, ob nur einzelne Legierungselemente oder die vollständige Legierung aufschmelzen soll. Dies ergibt sich meist aus den Taktzeit- und Lebensdaueranforderungen bzw. aus der maximal zulässigen Bauteiltemperatur. Das Benetzungsverhalten ist entscheidend für die Anforderungen an die Materialqualität der Fügepartner sowie die Einwirkzeit bzw. notwendige Konzentration des Reduktionsmittels. Lote mit einem Schmelzbereich (eutektischen Bereich) neigen oftmals zu Erstarrungslunkern. Aber auch die Volumen-Schrumpfung ist Legierungsabhängig. Die Materialeigenschaften wirken sich direkt auf die Lastwechselfestigkeit und Lebensdauer aus. Diese werden für Lebensdauerkalkulatoren bzw. FEM-Berechnungen benötigt. Dabei ist es wichtig die Randbedingungen zu betrachten, bzw. die Art und Weise der Messung (Testmethode und Testparameter, Prüfkörper, Anzahl an Prüfkörpern). Die Bildung von intermetallischen Phasen hängt von verschiedenen Randbedingungen ab und hat wiederum einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer, da intermetallische Phasen ein anderes Werkstoffverhalten als das Bulkmaterial zeigen. Zu den Einflussgrößen gehören das Temperaturprofil, die Oberflächen der Fügepartner und die Legierung. Die intermetallischen Phasen können anhand von Phasendiagrammen (Beispiel in Abbildung 1) abgeschätzt werden. Ebenso kann aus der Zusammensetzung die Prozessführung abgeleitet werden.

Für den Lötprozess ist speziell die Zeit über Liquidus bzw. der Bereich mit einem flüssigen Anteil (z.B. α + Liquid) und die Abkühlrate (Gefügestruktur) von Interesse. Beide Parameter wirken sich auf die Lebensdauer (Lastwechselfestigkeit und Kriechfestigkeit) aus. Bei einer eutektischen Zusammensetzung (z.B. bei 63% Zinn und 37% Blei) geht das flüssige Lot direkt bei der Eutektikallinie (183°C) in die feste Phase (α+β) über. Bei 30 Masseprozent Zinn wird beispielsweise keine Legierung mit Eutektikum, sondern mit einem Schmelzbereich gewählt und es entsteht zwischen 260°C und 183°C erst eine feste α-Phase, während Blei noch flüssig vorliegt. Bei 183°C erstarrt dann das gesamte Lot. Je nach Zielanwendung und Randbedingungen kann bei dem flussmittelfreien Löten die Liquidustemperatur vollständig erreicht werden, oder nur ein Bereich wie α+Liquidus durchfahren werden.

Abbildung 1: Phasendiagramm Blei-Zinn

Die notwendigen Lagerungsbedingungen sind speziell für Preforms und vernickelte Bauteile wichtig. Preforms sollten immer in einem Trockenlagerschrank gelagert werden. Bestimmte Legierungen benötigen weitere Schutzgasatmosphären wie Helium. Die dadurch entstehenden Mehrkosten sollten berücksichtigt werden. Die Haltbarkeit sollte bei der Wahl der Legierung ebenfalls beachtet werden. Bestimmte Legierungen können an Luft maximal 20 Minuten gelagert werden. Anschließend ist die Oxidschicht derart angewachsen, dass das Reduktionsmittel diese nicht mehr entfernen kann. Die Verarbeitbarkeit (z.B. mit Bestückungsautomaten) sollte ebenfalls getestet werden. Hierzu zählen die optische Erkennung und mechanische Handhabung. Um eine Fehlpositionierung der Preforms zu vermeiden, werden oftmals Haftvermittler verwendet. Etwaige Interaktionen der Legierung mit dem Haftvermittler gilt es zu überprüfen.

Reduktionsmittel-Wirktemperatur

Für die Entwicklung des flussmittelfreien Lötprofils muss die optimale Wirktemperatur des Reduktionsmittels beachtet werden. Ein Vergleich der am häufigsten verwendeten Reduktionsmittel findet sich in Tabelle 1.

Tabelle 1: Für den pastenfreien Lötprozess verwendete Reduktionsmittel, um Oberflächenoxide zu entfernen

Reduktionsmittel Optimaler Wirkungsbereich Relative Dauer der Einwirkzeit
Ameisensäure HCOOH 180-200°C Mittel
Formiergas N2H2 (5% H2) >250°C Lang
H2 100% >200°C Mittel
H2 100% Plasma Ab Raumtemperatur Mittel

Haben Sie weitere Fragen zum Vakuumlöten? Dann kontaktieren Sie uns gerne.

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