Gegenüberstellung der in bleihaltigen und bleifreien Reflow-Lötprozessen verwendeten Löttechnologien

Vergleich der Fähigkeiten von MVCs, dem Reflow-Löten standzuhalten

MVCs beziehen sich auf die während des Reflow-Lötens am stärksten gefährdeten Komponenten (MVCs), wie z. B. flüssige dielektrische Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Steckverbinder, DIP-Schalter, LEDs, Transformatoren, Leiterplatten-(Printed Circuit Board-)Basismaterial usw. Bleihaltige und bleifreie Komponenten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Fähigkeit, dem Reflow-Löten standzuhalten.

• Hauptkomponenten

Da die Spitzentemperatur beim bleihaltigen Reflow-Löten 230°C nicht überschreitet, sollte die Hitzebeständigkeit von MVCs auf 240°C festgelegt werden. Dies gilt für alle von industriellen Herstellern gefertigten Lötwerkzeuge, Lötgeräte und unterstützenden Materialien, die für das Löten verwendet werden und deren Auslegung und Auswahl auf einer Hitzebeständigkeit von 240°C basieren.

• Bleifreie Komponenten

Die Spitzentemperatur beim bleifreien Reflow-Löten kann bis zu 250°C betragen, daher muss die niedrigste Hitzebeständigkeit von MVCs auf mindestens 260°C festgelegt werden. Folglich müssen alle von industriellen Herstellern gefertigten Lötwerkzeuge, Lötgeräte und unterstützenden Materialien, die beim Löten verwendet werden, auf eine Hitzebeständigkeit von 260°C ausgelegt und ausgewählt werden.

Häufig verwendete Bestandteile von Lotpaste beim Reflow-Löten

• Bleireflow-Löten

Ähnlich wie das bleihaltige Wellenlöten verwendet das bleihaltige Reflow-Löten die gleichen gängigen Lötpastenbestandteile, nämlich Sn37Pb-Eutektische Lötpaste und Sn36Pb2Ag-Lötpaste.

• Bleifreies Reflow-Löten

Die Legierungsbestandteile des in der bleifreien Reflow-Lötung verwendeten Lotpasten umfassen hauptsächlich:
a. SAC305-Lotpaste. Als eines der am weitesten verbreiteten Elemente in der modernen Industrie weist sie einen Schmelzpunkt von 217°C bis 220°C auf.
b. SAC387-Lotpaste. Als eutektische Zusammensetzung der SnAgCu-Legierung zeichnet sich SAC387 durch seinen Schmelzpunkt bei 217°C aus, bei dem es den Fest-Flüssig-Übergang vollziehen kann. Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunktes wird es hauptsächlich in einigen Spezialprodukten eingesetzt, zum Beispiel in militärischen Anwendungen.

Reflow-Löten Spitzentemperaturbereich

• Bleireflow-Löten

Was einfache Produkte betrifft, liegt der Spitzen-Temperaturbereich während des bleihaltigen Reflow-Lötens zwischen 205°C und 220°C. Bei komplexen Produkten wie einigen IC-Gehäusen kann die Spitzentemperatur jedoch bis zu 225°C betragen, wie in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

• Bleifreies Reflow-Löten

Was das bleifreie Reflow-Löten betrifft, so wird bei einer niedrigsten Spitzentemperatur von 235°C im praktischen Reflow-Lötprozess die höchste Spitzentemperatur durch die Temperaturdifferenz (ΔT) auf der Leiterplatte bestimmt, welche wiederum von der Größe der Leiterplatte, der Plattendicke, der Anzahl der Lagen, dem Bauteillayout, der Verteilung der Kupferschichten, der Bauteilgröße und der Wärmekapazität abhängt. Große und dicke Leiterplatten, auf denen große und komplexe Bauteile montiert sind, weisen typischerweise eine ΔT von bis zu 20°C bis 25°C auf. Daher sollte die Spitzentemperatur minimiert werden, um die Vorheiz- und Reflow-Lötzeit zu verlängern, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Zeit-Temperatur-Kurve für das Reflow-Löten

Der Vergleich der Zeit-Temperatur-Kurven zwischen bleihaltigem und bleifreiem Reflow-Löten wird in der folgenden Abbildung dargestellt.

Vergleich der selbstjustierenden Fähigkeit zwischen bleihaltigem und bleifreiem Reflow-Löten

• Bleireflow-Löten

Wenn bleihaltige Lotpaste (Sn37Pb, Sn36Pb2Ag) mit der Leiterplatte (PCB) verwendet wirdOberflächenbeschaffenheitist HASL Sn37Pb oderOSPWenn die montierten Bauteile um 50 % von den Pads abweichen, kann die Selbstausrichtung gut umgesetzt werden.

• Bleifreies Reflow-Löten

a. Da Luft am Reflow-Löten beteiligt ist, wird SAC305-Lotpaste verwendet, wobei die Oberflächenbeschaffenheit der PCB-Pads ENIG und OSP ist und die Lötstellen aus SAC305 bestehen. Wenn die montierten Bauteile um 25 % von den Pads abweichen, kann die Selbstausrichtung gut umgesetzt werden.
b. Da Stickstoff beim Reflow-Löten beteiligt ist, wird SAC305-Lotpaste verwendet, wobei die Oberflächenbeschichtung der PCB-Pads ENIG und OSP ist und die Lötstellen aus SAC305 bestehen. Wenn die montierten Bauteile um 50 % von den Pads abweichen, kann die Selbstjustierung ebenfalls gut umgesetzt werden.

Vergleich von Verfahren zur Beseitigung von Blei zwischen bleihaltigen und bleifreien Lötverbindungen

Rom wurde nicht an einem Tag erbaut. Ein vollständiger Übergang kann niemals nur durch einen einzigen Schritt vom vollständigen SnPb-Lötsystem zu einem völlig bleifreien Lötsystem erreicht werden. Ein Übergangsprozess, in dem Blei- und bleifreie Elemente koexistieren, muss möglich sein. Das liegt daran, dass verschiedene Abteilungen in der Elektronikfertigungsindustrie den Zeitplan und die technologische Vorbereitung für bleifreie Prozesse nicht synchronisieren können. Infolgedessen neigen Lötfehler dazu, in diesem Übergangsprozess aufzutreten.

• Vorwärtskompatibilität

Zum Beispiel tritt eine Vorwärtskompatibilität auf, wenn bleifreie SAC-Lotpaste verwendet wird, um bleihaltige BGA-(Ball Grid Array)-Lötstellen zu löten. Dies ergibt sich daraus, dass der Zeitplan der Komponentenlieferanten für bleifreie Produkte später ist als der der Leiterplattenhersteller. In dieser Situation werden die BGA-Lötstellen zuerst aufgeschmolzen und auf Lotpaste aufgebracht, deren Legierung nicht schmilzt, was zu einem massiven Zusammenbruch und zur Oxidation der bleihaltigen Lotkugeln führt. Infolgedessen entstehen Hohlräume und interne nichtmetallische Schlackeneinschlüsse, da das Flussmittel und Verunreinigungen in der Lotpaste nur schwer ausgetrieben werden können, was nicht zulässig ist.

• Rückwärtskompatibilität

Wenn bleifreies Lot mit bleihaltiger Lotpaste kombiniert werden muss, tritt eine Rückwärtskompatibilität auf. Die auf das Pad aufgetragene Lotpaste (SnPb) schmilzt, aber die SAC-Lotkugeln sind noch nicht geschmolzen. Das Blei verteilt sich an die Grenzflächen der Kristallpartikel der Lotkugel, die nicht vollständig geschmolzen sind. Wie weit sich das Blei in den SAC-Lotkugeln ausbreiten kann, hängt davon ab, wie hoch die Reflow-Temperatur eingestellt ist und wie schnell das SnPb-Lot in der Lotpaste schmilzt. Dadurch werden die Lötstellen ungleichmäßig und instabil.

Um eine höhere Qualität und Zuverlässigkeit der Lötverbindungen zu erreichen, muss die Zeit-Temperatur-Kurve des Reflow-Lötprozesses neu eingestellt werden, damit SAC-Lotkugeln vollständig schmelzen und das Blei in der SnPb-Lotpaste sich vollständig mit den geschmolzenen SAC-Lotkugeln vermischen kann.

Vergleich der Abkühlgeschwindigkeit zwischen bleihaltigen und bleifreien Reflow-Lötverfahren

• Bleihaltiges Reflow-Löten

Da die Spitzentemperatur des bleihaltigen Reflow-Lötens niedriger ist als die des bleifreien Reflow-Lötens und die von den gelöteten Bauteilen aufgenommene Wärme nicht so hoch ist, reicht es aus, wenn die Kühlgeschwindigkeit der Kühleinheit bei 3 bis 4°C/s liegt.

• Bleifreies Reflow-Löten

Da das bleifreie Reflow-Löten durch eine hohe Temperatur und eine größere Wärmeansammlung gekennzeichnet ist, kann eine beschleunigte Abkühlung verhindern, dass die Lötstellen über längere Zeit abkühlen und erstarren und dass sich grobe Kristallpartikel bilden; außerdem wird so die Seigerung behindert. Daher sollte die Kühlvorrichtung der Reflow-Lötanlage eine höhere Abkühlrate aufweisen, damit die Temperatur der Lötstellen schnell gesenkt werden kann. Die Abkühlrate sollte in der Regel 5 bis 6°C/s betragen.

Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Kriechbeständigkeit

• Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit bleifreier Lote auf die Kriechbeständigkeit

a. Die Verbesserung der Abkühlrate führt zu einer erhöhten Kriechbeständigkeit der Bauteile, da schnelles Abkühlen die Mikrostruktur verändert. Kleine Dendriten, die durch schnelles Abkühlen gebildet werden, sowie Ag3Sn-Partikel im Substrat verstärken den Widerstand gegen Kontaktbruch, sodass die Kriechbeständigkeit der Lötverbindungen verbessert wird.
b. Langsames Abkühlen führt dazu, dass Kristallpartikel wachsen, was tendenziell zur Entstehung und Ausbreitung von Rissen führt. Die Kriechbeständigkeit von SnAg wird hauptsächlich durch die Verteilung von Teilchen mit verstärkender Funktion verbessert.

• Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit von Bleilot auf die Kriechbeständigkeit

Anders als bei SAC-Legierungen nimmt Blei beim schnellen Abkühlen von bleihaltigem Eutektikum-Lot eine kugelförmige Gestalt an, und alle Phasen werden bei beschleunigter Abkühlgeschwindigkeit feiner. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass Blei eine geringere Härte als das Sn-Substrat und einen höheren Gehalt als Ag in SnAg- und SAC-Legierungen aufweist.

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•Vergleich zwischen bleihaltigem Löten und bleifreiem Löten im Herstellungsprozess von PCBA
•Vergleich der in der bleihaltigen und bleifreien Wellenlöttechnik verwendeten Löttechnologien
•Zuverlässigkeitsvergleich zwischen bleihaltigen und bleifreien Lötverbindungen