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Bleifreie Lötprozesse Blei beeinträchtigt die Qualität von bleifreien Lötverbindungen

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Gundolf Reichelt* / Claudia Mallok

Bleifreie Lote sind bleisensitiv. Metallurgen verstehen darunter die Minderung bzw. Beeinflussung der Eigenschaften von bleifreien Lötverbindungen durch Blei in den Lotfüllungen. Die Ursache sind Bleianteile, die aus Leiterplattenoberflächen, Lotbad oder Bauteilanschlüssen in die bleifreie Lötstelle eindringen. Diese Blei-Kontamination der Lötstellen kann unangenehme Qualitätsprobleme verursachen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Thomas Woodrow (Boeing) /1/ hat im Jahr 2003 im Hinblick auf die Bleisensitivität die Temperaturzykelfestigkeit von Lötverbindungen untersucht. Für den Versuch wurden Testboards mit 6 bleifreien Lotlegierungen ohne und mit Bleizusätzen gelötet. Diese Baugruppen waren mit LCCC20-daisy-chains versehen, die während der Beaufschlagung mit folgendem Zyklus elektrisch online auf Durchgang bzw. Ausfall geprüft wurden: Temperatur: warm 125°C, kalt –40°C; Haltedauer: warm 15 min, kalt 15 min; Übergang: kalt – warm 7,9 K/min, warm – kalt 9,6 K/min; Gesamtzyklen: 3441. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigt Bild 1.

Ergebnisse der Untersuchungen von Thomas Woodrow bei Boing 2003 im Hinblick auf die Temperaturzykelfestigkeit von sechs bleifreien Legierungen (Archiv: Vogel Business Media)

Man erkennt für die Lötverbindungen ohne Bleizusatz:

  • SAC (Zusammensetzung Sn-3.9Ag-0.7Cu) schneidet am schwächsten ab.
  • Sn-0.7Cu liefert fast die doppelte Lebensdauer Nf0 (=Zyklenzahl bis zum ersten Ausfall) wie SAC.
  • Noch darüber liegen die Bi-haltigen Lote. Allen mituntersuchten Loten ist die eutektische Legierung Sn-57Bi deutlich überlegen.
  • SnPb liegt leicht oberhalb von SnCu.

Ganz anders sehen die Ergebnisse aus, wenn den Lötverbindungen ein wenig Pb (<1%) zugefügt wurde:

  • SAC verbessert (!) sich nennenswert.
  • SnAg hält seine Lebensdauer.
  • SnCu mit 0,32% Pb halbiert seine Lebensdauer und erreicht damit das SAC-Niveau ohne Pb-Kontamination.
  • Die Bi-haltigen Legierungen verschieben sich dramatisch zu geringeren Lebensdauern, SnBi erfährt eine katastrophale Degradation.
  • Jetzt liegt SAC mit 0,6% Pb weiterhin unterhalb des Lebensdauerniveaus von SnPb.

Aus diesen Ergebnissen lassen sich die vier Ursachen für die Bleikontamination in bleifreien Lötstellen formulieren:

1. Das Eintragen von Blei in Lotbäder und Lotfüllungen über Bauelemente und/oder Leiterplatten mit SnPb-Finish (die verwendet werden müssen, da kein bleifreier Ersatz termingemäß verfügbar oder ihre Verschrottung zu teuer ist usw.) ist keine tolerierbare Notmaßnahme.

2. Große Sorgfalt im Umgang mit dem Nachfüllmaterial für die Lotbäder ist angebracht. Eine dichtere Analysenfolge zumindest in einer Übergangszeit (z.B. eine Analyse pro Monat) ist empfehlenswert.

3. Die vorausschauende Disposition ist in vielen Unternehmen seit längerem üblich, um eine Situation gemäß Punkt 1 zu vermeiden.

4. Der SAC-Verwendung kommt entgegen, dass durch den Pb-Eintrag bei SAC und SnAg sogar eine Zunahme der Zykelfestigkeit beo-bachtet wurde – im Gegensatz zu allen anderen untersuchten Loten. Dies ist jedoch mit Vorsicht zu betrachten: Es ist ungeklärt, ob es einen Grenzwert für den Pb-Anteil gibt, oberhalb dessen doch eine Zunahme der Degradation gegen-über dem bleireinen Lotwerkstoff erfolgt.

Zudem folgt auch, dass dann, wenn die Prozesse hinreichend und konstant Pb-rein sind, an die Realisierung des Zuverlässigkeitsgewinns, gedacht werden kann, der in den Bi-haltigen Loten laut Woodrow /1/ und gemäß den Projekten der NCMS 1997 /2/ und IDEALS 1999 /3/ steckt. Im allgemeinen wird dies nicht benötigt, da für den großen Teil aller Produkte wie bisher auch für die SnPb-Technologie gilt: Die Belastbarkeit der Lötverbindungen liegt erheblich oberhalb der realen Belastung im Betrieb. Es gibt jedoch Fälle außerhalb dieser Relation.

Es ist zu ergänzen, dass prinzipiell alle mechanischen Kennwerte der bleifreien Lote (Zugfestigkeit, Fließgrenze, Bruchdehnung, E-Modul usw.) betroffen sind. Jennie Hwang hat dies in einer ihrer Monographien unter Belegung mit einer Reihe von Daten dargestellt /4/.

Die Blei-Empfindlichkeit von SAC-Loten

Hunt und Wickham /5/ haben speziell SAC ausführlicher auf seine Blei-Empfindlichkeit untersucht: Testboards wurden mit FR4-Leiterplatten (1,6 mm/ NiAu-Oberfläche) und Bauelementen (Typen: BGA256, CCGA, LQFP100, SOIC, DIP, Zweipoler R1206, R0603, Melfs; Verwendung von daisy-chain-Strukturen) teils mit SAC-, Sn-, SnPb- und anderen Finishes hergestellt. Die verwendeten Lotpasten waren SAC, Sn-36Pb-2Ag, dazu Mischungen beider Pasten mit 1, 2, 5, 10% Anteil an SnPbAg-Paste (Pb-Anteil im Lotgefüge bis zu etwa 7%. Die Testboards wurden mit bis zu 2000 Zyklen –55/125°C, Zyklusdauer 50 min unter Entnahme von Rückstellboards bei 0, 500, 1000, 1250, 1500, 1750 Zyklen und Erhalt von 5 Durchläufern mit 2000 Zyklen gestresst. Die Analyse des Degradationszustandes erfolgte elektrisch auf Durchgangsstörungen, metallographisch und mit Hilfe der Scher- und Pullkraft.

Dieses umfangreiche Untersuchungsprogramm erbrachte folgende wesentliche Ergebnisse:

  • 1. Die Zuverlässigkeitsprobleme bei der Kombination von Bauelementen mit bleifreier Oberfläche und Blei-Zinn-Lot sowie mit Pb-kontaminiertem (1 bis 10%) SAC-Lot sollten nicht ins Gewicht fallen.
  • 2. Nur bei zwei Bauteiltypen ergaben sich relevante, aber nicht Pb-verursachte Fehler beim Zyklen:

BGA mit SnPb-Anschlüssen, einerlei, ob sie mit SnPbAg- oder SAC-Lotpaste montiert worden waren. Ursache ist die Anwesenheit des Si-Chips, der den Ausdehnkoeffizienten des Package auf sehr niedrige Werte drückt, Risse daher auf der Bauelementseite und

Typ LQFP100 mit Sn-Finish, gelötet mit SAC-Lotpaste. Grund ist der langsamere Benetzungsvorgang an den keine parametrische Anpassung erfolgte. Verglichen mit SnPb-Finish hatte das Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit dieser Lötverbindungen, ohne dass dies an der äußeren oder inneren Beschaffenheit dieser Lötverbindungen ohne Weiteres hätte erkannt werden können.

  • 3. Die Lötverbindungen mit Pb-Kontamination zeigten beim Pulltest an den SO-Bauformen in der Wärme deutlich geringere Werte als bei unkontaminierten Lötverbindungen. Der Effekt wurde ab 130°C festgestellt, bei 190°C wird nur noch eine Kraft gemessen, die etwa für die Biegung der Gullwings erforderlich ist. Im Fall von Verformungen im Fertigungsprozess im warmen Zustand mag sich so eine Ausfall-konditionierte Lötverbindung ergeben.

Im ganzen wird, von Punkt 3 abgesehen, die These von der SAC-Unempfindlichkeit gegenüber Pb-Kontamination unterstützt. Punkt 3 bedeutet allerdings eine Empfindlichkeit der Lötverbindungen in jeder Situation (Fertigung oder Betrieb), bei der Board-Temperaturen >130°C erreicht werden. Leider beschränkte sich diese Untersuchung auf SAC.

Jeff Bradford /6/ und /2/ untersuchen bei kombinierter Beanspruchung Temperaturwechsel und Vibration u.a. an den Bauelementen BGA225, TQFP208, TSOP50, CLCC20 die Kombinationen der Lotpasten SAC, Sn-3.4Ag-1.0Cu-3.3Bi und SnPb mit den Bauelement-seitigen Loten (Bälle bzw. Finishes) SAC, SnAgCuBi, SnPb, teils unter Einbeziehung von Reparaturen.

Die Kombination SnPb/SnPb (Lotpaste/Bauelementbelotung) lieferte hier die größten Lebensdauern, SnAgCuBi mit SnPb zeigt kaum einen Abfall gegen SnAgCuBi/SnAgCuBi, dagegen SAC/SnPb gegen SAC/SAC einen Abfall an Lebensdauer, jedoch sind alle Ergebnisse, auch wegen ihrer Abhängigkeit vom Bauelement-Typ, nicht auf einen einfachen Nenner zu bringen.

Wie sich die Bleikontamination grundsätzlich erklären lässt

Die verstärkte Degradation bei den Bi-haltigen Loten wird mit der Existenz des ternären Eutektikums Sn-...Pb-...Bi (Schmelzpunkt 96°C) im Lotgefüge in Verbindung gebracht. Dass auch kleine Anteile starke degradierende Effekte haben, ist damit zu erklären, dass das 96°C-Eutektikum vorzugsweise in den Korngrenzen zu finden ist. Dann kann eine kleine Menge bei Überschreitung des Schmelzpunktes eine große Wirkung haben, da das Lotgefüge an den Korngrenzen infolge Aufschmelzen der Korngrenzen-Partien seinen Zusammenhalt verlieren würde.

Bei Annäherung an den Schmelzpunkt, ohne ihn zu erreichen, tritt eine Kornvergröberung ein /7/ was mit einer Minderung der mechanischen Daten (ohne raschen Gefügezerfall) einhergehen würde. Diese Effekte insgesamt beim gleichzeitigen Auftreten von Pb und Bi im Lotgefüge werden als Fall I angesprochen.

Dass kleine Pb-Anteile wie z.B. 0,23% in /1/ überdeutliche Lebensdauerabfälle zur Folge haben können, lässt daran denken, in solchen kritischen Fällen als Produktbezogene technische Regel (Lasten- und Pflichtenheft) einen Pb-Grenzwert noch unterhalb des RoHS-Grenzwertes von 0,1% aufzustellen.

Dass der Effekt auch bei SnCu, dagegen bei SAC und SnAg nicht bzw. sogar im umgekehrten Sinne auftritt, ist verwunderlich, denn alle drei Lote sind Bi-frei. Erwarten kann man einen beschleunigten Alterungseffekt bei Pb-kontaminiertem SAC und SnCu infolge des Auftretens des SnPb-Eutektikums (ebenfalls im Korngrenzenbereich). Dieser jedoch entsprechend der SnPb-Schmelzpunktlage erst bei entsprechend höherer Temperatur, an sich nicht bei den 125 °C des hier angewendeten Zyklus. Es gibt bisher keine definitive Erklärung für diese Unterschiede zwischen SAC und SnCu. Dieser Bereich der Pb-Kontamination ohne Bi-Beteiligung wird als Fall II angesprochen.

Wo findet man nun das Blei in den SnAg-und SAC- sowie den SnCu-Gefügen? Es wird immer angenommen, nachdem es hierfür auch eine Reihe metallographischer Plausibilitäten gibt, in den Korngrenzenbereichen. Einen anderen Hinweis erhält man bei /2/ (1997) und Gickler /8/: Hier wird die Pb-Verteilung im Lotgefüge in eutektisch erscheinender Kombination mit der intermetallischen Verbindung SnAg3 gedeutet.

Es bleibt vorerst unverständlich, dass der Pb-Effekt bei SnCu bereits beim 125°C-Zyklus so deutlich auftritt, wie ihn Woodrow gefunden hatte.

Die Bi-Kontamination von SnPb-Gefügen ist Fall III. Da nach dem Vorangehenden eine kritische Situation immer bei dem gleichzeitigen Auftreten von Sn, Pb und Bi zu erwarten ist, da ja damit immer die Voraussetzung für die Entstehung des o.e. 96°C-SnBiPb-Eutektikums gegeben ist, entsteht die Frage nach der Rückwärtskompatibität der Sn(Bi)-beschichteten Bauelemente.

In zwei Beiträgen wurde nachgewiesen, dass dieser Fall unkritisch ist /9/, /10/. Es erfolgt hier keine Konzentration der Bi-Phase im Korngrenzenbereich, sondern das vorhandene Bi verteilt sich gleichmäßig über das gesamte Gefüge. In /9/ wird ein Bi-Anteil von bis zu mindestens 6% als unschädlich festgestellt.

Zinn-Blei-Wismut-Konstellation

Kritisch ist die Situation, wenn Zinn, Blei und Wismut gleichzeitig auftreten. Bei dieser Konstellation kann das niedrig schmelzende 96-°C-SnBiPb-Eutektikum entstehen.

Man unterscheidet drei Fälle einer Bleikontamination bzw. für das Zusammentreffen von Sn, Bi und Pb in Lötverbindungen:

Fall I: Pb-freies Lot, Anwesenheit von Wismut, ein (ungewollter) Pb-Anteil durch

a. eine vorhandene Badkontamination (Welle oder Selektiv),

b. die Oberfläche von Bauelement und/oder Leiterplatte,

c. unsauberes Arbeiten beim Handlöten;

Fall II: Pb-freies Lot, Abwesenheit von Wismut, Pb-Anteile durch die gleichen Ursachen wie beim Fall I;

Fall III: SnPb-Lötverbindung, Anwesenheit von Wismut durch die Bauelementoberfläche.

Bild 2: Untersuchungen des Fachkreises BFE: Der gegenüber Bild a und b fortgeschrittenere Degradationszustand in Bild c und d ist auf die Anwesenheit von Blei zurückzuführen.C0603, Lötverbindungen mit Sn-0.7Cu Reflow-Lötung 2650 Zyklen -40 °C, 15 min/125 °C, 25 mina,b: Leiterplatte mit HAL-SN100C-Oberfläche (Balver Zinn)c,d: Leiterplatte mit HAL-SnPb-Oberfläche (Archiv: Vogel Business Media)

Derzeit sind die metallkundlichen Erklärungen für die verschiedenen Beobachtungen (Unterschiede SAC gegen SnCu, Auftreten der SnCu-Degradation bereits beim 125°C-Zyklus bei Bi-Abwesenheit und viele hier nicht genannte Details noch offen. Nachgewiesen ist allerdings, dass die Nichtbeachtung der Blei-Kontamination unangenehme Qualitätsprobleme verursachen kann.

Verwendete Abkürzungen

Bi – Wismut

NiAu – Nickel Gold

Pb – Blei

SAC-Zinn-Silber-Kupfer-Lot

Sn – Zinn

SnAG – Zinn-Silber-Lot

SnCu – Zinn-Kupfer-Lot

SnPb – Zinn-Blei-Lot

Quellenverzeichnis

/1/ Thomas A. Woodrow „The effects of trace amounts of lead on the reliability of six lead free solders“, Proceedings IPC Lead-Free Conference, San Jose, CA, April 2003.

/2/ NCMS-Report 0401RE96 “Lead-Free Solder Project – Final Report” (August 1997). National Center for Manufacturing Sciences, 3025 Boardwalk, Ann Arbor, Michigan 48108-3266

/3/ IDEALS: Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by Lead-Free Soldering.(Abschlußbericht 30.06.1999, BRITE/EURAM-Programme) und E.E. de Kluizenaar und 6 Mitautoren: Pb-free Solders based on SnAgCu, SnBiAg, SnAg, SnCu for Wave Soldering of Electronic Assemblies. Proc. Electronic Goes Green 2000 Vol. 1, 73-82 (Berlin 09/2000, Veranstalter Fraunhofer-IZM)

/4/ Jennie S. Hwang: Implementing Lead-Free Electronics pp. 325-339 McGraw-Hill 2005. ISBN 0-07-144374-6

/5/ Christopher Hunt, Martin Wickham (NPL UK): Impact of Lead Contamination of Lead Free Alloys Proc. APEX 2006 S39-01-1…11.

/6/ Alan Bradford, Joe Felty, Bill Russell: JCAA/JG-PP Lead Free Solder Project: Combined Environments Test Proc. APEX 2006 S20-03-1…34.

/7/ John Lau: Low Cost Flip Chip Technologies pp. 108-111 McGraw-Hill 2000. ISBN 0-07-135141-8

/8/ Alan Gickler, Craig Willi, Michael Loomans: Contamination of Lead-Free Solders with Copper and Lead Proc. SMTAI 1997, pp. 476-484

/9/ Tin Bismuth – The Lead-free Alternative / NEC Electronics (Europe) GmbH, Quality and Reliability Department. Vortrag Wingert, Fraunhofer-IZM-Tagung, 9. September 2004, Kreuzwertheim.

/10/P. Snugovsky und /5/: Microstructure and Properties of Sn-Pb Solder Joints with Sn-Bi Finished Components. Proc. APEX 2006 S28-01-1…13.

*Dr.-Ing. Gundolf Reichelt ist Inhaber des IBE – Ingenieurbüro für Elektroniktechnologie Berlin und Leiter des Fachkreises BFE – Bleifreie Elektronikbaugruppen.

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