Die zunehmend verkleinerten Lötverbindungen in mikroelektronischen Geräten führen dazu, dass diese höheren mechanischen, elektrischen und thermodynamischen Belastungen standhalten müssen, während gleichzeitig die Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit steigen. Elektronische Verpackungstechnologien wie SMT (Surface Mount Technology), CSP (Chip-Scale Package) und BGA (Ball Grid Array) erfordern die Herstellung elektrischer und stabiler mechanischer Verbindungen zwischen unterschiedlichen Materialien durch Lötverbindungen, sodass die Verbindungsqualität und Zuverlässigkeit die Qualität und Zuverlässigkeit elektronischer Produkte bestimmen. Das Versagen auch nur einer einzigen Lötverbindung kann zum vollständigen Ausfall eines elektronischen Produkts führen. Daher ist die Sicherstellung der Qualität von Lötverbindungen ein äußerst wichtiger Aspekt für moderne elektronische Produkte.
Traditionelles SnPb-Lot enthält Pb (Blei), das zusammen mit Bleiverbindungen eine hochgiftige Substanz darstellt, deren langfristige Anwendung extremen Schaden für das Leben der Menschen und die Umwelt verursacht. Bis heute wird bleifreies Lot aufgrund seiner umweltschonenden Eigenschaften ständig als Ersatz für bleihaltiges Lot eingesetzt. Allerdings unterscheidet sich die bleifreie Fertigung von der bleihaltigen Fertigung inPCBA (Leiterplattenbestückung) Prozessmit geänderten Parametern. Daher ist es von großer Bedeutung, sich der Unterschiede zwischen bleihaltigen und bleifreien Lötverfahren in der PCBA-Herstellung vollständig bewusst zu sein, damit die Leistung und Funktion elektronischer Produkte nicht durch Umweltaspekte beeinträchtigt werden.
Eigenschaftsvergleich zwischen bleifreiem Lot und bleihaltigem Lot
• Bleifreies Lötzinn hat einen höheren Schmelzpunkt als bleihaltiges Lötzinn.
a. Der Schmelzpunkt des traditionellen bleihaltigen Eutektiklots (Sn37Pb) beträgt 183°C.
b.Schmelzpunkt von bleifreiem eutektischem Lot(SAC387) beträgt 217°C.
Da bleifreies eutektisches Lot (SAC387) einen um 34 °C höheren Schmelzpunkt als herkömmliches bleihaltiges eutektisches Lot (Sn37Pb) aufweist, ergibt sich daraus:
1).Die anschließend steigende Temperatur führt dazu, dass das Lot leicht oxidiert wird und sich schnell chemische Verbindungen zwischen den Metallen bilden.
2). Einige Bauteile, wie solche mit Kunststoffgehäuse oder Elektrolytkondensatoren, sind tendenziell stärker von der Löttemperatur betroffen als andere Elemente.
3). SAC-Legierung führt zu größeren Spannungen an den Bauteilen, sodass Bauteile mit niedriger Dielektrizitätskonstante anfälliger für Ausfälle sind.
4). Zahlreiche Arten von Lötoberflächen sind auf bleifreien Lötoberflächen von Bauteilen verfügbar. Die Verwendung von Zinn im Lot ist aufgrund seiner niedrigen Kosten weiter verbreitet. Dennoch neigt die Oberfläche von Zinn dazu, eine dünne Oxidschicht zu bilden. Außerdem kann nach dem Galvanisieren Spannung entstehen. Infolgedessen neigen Zinn-Whisker dazu, sich zu bilden.
• Bleifreies Lötzinn weist eine schlechtere Benetzbarkeit als bleihaltiges Lötzinn auf.
Im Vergleich zu bleihaltigem Lot weist bleifreies Lot eine deutlich geringere Benetzbarkeit auf. Schlechte Benetzbarkeit führt dazu, dass Lötstellen in Bezug auf Selbstkalibrierungsfähigkeit, Zugfestigkeit und Scherfestigkeit nicht ausreichend leistungsfähig sind, um die Anforderungen zu erfüllen. Schlechte Benetzbarkeit kann zu einer höheren Ausschussrate bei Lötstellen führen, wenn keine Anpassungen vorgenommen werden, um diesen Nachteil auszugleichen.
• Vergleich der physikalischen Eigenschaften von bleifreiem und bleihaltigem Lot.
Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften zwischen bleifreiem Lot und bleihaltigem Lot.
|
Artikel
|
Sn37Pb
|
SAC387
|
Sn0,7Cu
|
| Dichte (g/m2) |
8,5 |
3,5 |
3,31 |
| Schmelzpunkt (°C) |
183 |
217 |
227 |
| Spezifischer Widerstand (MΩ·cm) |
15 |
11 |
10-15 |
| Elektrische Leitfähigkeit (IACS) |
11,5 |
15,6 |
/ |
| CTE (×10-4) |
23,9 |
23,5 |
/ |
| Wärmeleitfähigkeit (W/m·1K·1s) |
50 |
73 |
/ |
| Oberflächenspannung 260°C (mN/m) |
481 |
548 |
491 |
| Ermüdungslebensdauer |
3 |
1 |
2 |
| Schubfestigkeit (MPa) |
23 |
27 |
20-23 |
Wie in der obigen Tabelle dargestellt, wird bleifreies Lot aufgrund der Unterschiede in den Loteigenschaften im Vergleich zur herkömmlichen bleihaltigen Lotherstellung definitiv negative Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Lötverbindungen haben. Aus mechanischer Sicht ist typisches bleifreies Lot härter als bleihaltiges Lot. Darüber hinaus können gebildete Oberflächenoxide, Flussmittelverunreinigungen und Legierungsrückstände möglicherweise zu schlechten Leistungen bei elektrischen Kontakten und Kontaktwiderstand führen. Daher ist die Umstellung elektronischer Produkte von bleihaltiger auf bleifreie Fertigung weder aus elektrischer noch aus mechanischer Sicht ein reiner Ersatz, und zwar aus folgenden Gründen:
a. Da Blei relativ weich ist, sind Lötstellen, die durch bleifreie Fertigung entstehen, härter als solche, die durch bleihaltige Fertigung erzeugt werden. Dies führt zu höherer Festigkeit und geringerer Verformung, was jedoch definitiv zu einer hohen Zuverlässigkeit der bleifreien Lötstellen führt.
b. Da bleifreies Lot eine schlechte Benetzbarkeit aufweist, werden mehr Defekte hervorgerufen, darunter Hohlräume, Verschiebungen und das sogenannte Tombstone-Phänomen.
Umfassende Aufmerksamkeit für bleifreie Fertigung
Beim Übergang von bleihaltigem zu bleifreiem Lot besteht der auffälligste Unterschied im hohen Zinngehalt (>95%Gew.). Daher sollten zunächst die folgenden Probleme besonders beachtet werden.
• Zinnbartwachstum
Zinn-Whisker wächst aus einer schwachen Stelle der Zinnoxidschicht als monokristallines Zinn und tritt in säulenförmiger oder zylindrischer Filamentform auf. Zu den Schäden gehören:
a. Kurzschlüsse können zwischen benachbarten Pins auftreten.
b. Ein negativer Einfluss kann auf hochfrequente Merkmale ausgeübt werden.
Druckspannungen sind in der Zinnlötungsschicht vorhanden und werden als wesentliche Ursache für die Entstehung von Zinn-Whiskern angesehen. Wenn beispielsweise viele unregelmäßige Cu6Sn5-Metalllegierungen entstehen, bilden sich zahlreiche Defekte, darunter die Ansammlung von Druckspannungen in der Zinnschicht, die Verformung von Bauteilanschlüssen und die Nichtübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), die alle zur Entstehung von Zinn-Whiskern führen. Hochzinnhaltige Legierungen begünstigen die Bildung von Zinn-Whiskern, was insbesondere bei Reinzinn auftritt. Viele Metalllegierungen wie Pb oder Bi hingegen können das Wachstum von Zinn-Whiskern stoppen oder behindern.
Zinn-Whisker können möglicherweise Kurzschlüsse bei feinen Leitungen verursachen, zum Beispiel bei QFP. Daher kann reines Zinn auf minderwertigen Produkten und Bauteilen, deren Lebensdauer weniger als 5 Jahre beträgt, verwendet werden. Bei hochzuverlässigen Produkten und Bauteilen, deren Lebensdauer mehr als 5 Jahre betragen muss, sollte zunächst eine Nickelschicht mit einer Dicke von weniger als 1 μm aufgetragen werden, gefolgt von einer Zinnschicht mit einer Dicke von 2-3 μm.
• Wachstum von Metalldendriten
Metallische Dendriten weisen andere Wachstumsprozesse auf als Zinn-Whisker. Erstere entstehen durch ionische Elektromigration in der Elektrochemie. Metallische Dendriten führen zu Kurzschlüssen, die wiederum zum Ausfall von Schaltungen führen können.
• Erzeugung von CAF
Leitfähiger anodischer Faden (CAF) ist eine weitere Ausfallart, die durch eine elektrochemische Reaktion verursacht wird. CAF tritt innerhalb der Leiterplatte auf und entsteht durch einen leitfähigen anodischen Faden, der Kupfer enthält und vom Anoden- zum Kathodenpol wächst.
CAF wächst in dem Maße, wie Anode und Kathode durch Kurzschlüsse zwischen den beiden Polen verbunden werden, was schließlich zu einer katastrophalen Katastrophe führt. CAF ist eine Katastrophe fürHochdichte Leiterplattenbestückungund bleifreies Lötzinn mit höherer Temperatur führt dazu, dass dieses Problem leichter auftritt.
• Zinnpest
Zinnpest entsteht durch die spontane polymorphe Phasenumwandlung von reinem Zinn. Bei Temperaturen unter 13°C führt reines Zinn zur Umwandlung von Weißzinn (Dichte 7,30 g/cm3) abgeleitet von der zentralen Quadratstruktur zu grauem Zinn (Dichte beträgt 5,77 g/cm3) in einer kubisch zentrierten Struktur. Theoretisch führt Zinnpest zu potenziellen Zuverlässigkeitsrisiken, wird jedoch selten beobachtet, da Verunreinigungen in das Zinn eingemischt werden.
Die oben genannten Probleme sind mögliche Defekte beim Einsatz bleifreier Lote. Dennoch können sie beseitigt werden, sofern während des PCBA-Prozesses fortschrittliche Löttechnologien genutzt werden.
PCBCart bietet Lötverfahren mit Blei und bleifreie Lötverfahren für die PCBA-Herstellung an.
