Bis heute gilt Zinn noch immer als das beste Material zum Löten. Auch bleifreie Lötpaste besteht hauptsächlich aus Zinn; der einzige Unterschied liegt im Fehlen von Blei.
Die Schmelztemperatur von reinem Zinn (Sn) ist mit 231,9 °C so hoch, dass sie beim Löten in der Leiterplattenmontage (PCB, Printed Circuit Board) kaum akzeptabel ist, da einige elektronische Bauteile eine derart hohe Temperatur nicht aushalten. Daher müssen dem Zinnpulver, das den Hauptbestandteil der Lötpaste bildet, Legierungslote zugesetzt werden, wie zum Beispiel Silber (Ag), Indium (In), Zink (Zn), Antimon (Sb), Kupfer (Cu), Wismut (Bi) usw. Durch die Zugabe dieser Spurenelemente zum Zinnpulver kann der Schmelzpunkt der Lötpaste gesenkt werden, sodass die Leiterplattenmontage in großen Stückzahlen mit geringerem Energieverbrauch durchgeführt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Zugabe von Spurenelementen zur Lotpaste liegt in ihrer Funktion, die Leistung von Lotkugeln – etwa deren Zähigkeit oder Festigkeit – zu verbessern, sodass nach dem Löten perfekte mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften erzielt werden können.
Nun ist es nicht schwer zu verstehen, warum Sn63Pd37 den Großteil des lötzinnhaltigen Lots ausmacht. Ein solches Lot kann einen Schmelzpunkt von bis zu 183 °C erreichen, was deutlich niedriger ist als der von reinem Zinn. Bei bleifreiem Lot kann durch die Zugabe einer kleinen Menge SAC305 der Schmelzpunkt auf 217 °C gesenkt werden, während durch die Zugabe einer kleinen Menge SCN der Schmelzpunkt auf 227 °C gesenkt werden kann. Sowohl 217 °C als auch 227 °C liegen unter dem Schmelzpunkt von reinem Zinn, nämlich 231,9 °C.
Nachdem zwei Metalle mit hohen Schmelztemperaturen im bestimmten Verhältnis miteinander vermischt wurden, sinkt die Schmelztemperatur des Verbundstoffs. Ist das nicht überraschend? Tatsächlich liegt der Grund dafür in bestimmten chemischen Eigenschaften und wird in diesem Artikel nicht näher erläutert.
Es gibt einige Arten von Metallen, die dem Lotpaste zugesetzt werden können, um das Löten reibungslos durchzuführen. Die Eigenschaften und Funktionen dieser Metalle werden im folgenden Artikel vorgestellt.
• Silber (Ag)
Im Allgemeinen zielt das Hinzufügen von Silber zur Lotpaste darauf ab, die Benetzbarkeit beim Löten zu verbessern sowie die Lötfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen. Die Lotpaste ist in der Lage, Kalt-Heiß-Zyklustests zu bestehen. Wird jedoch zu viel Silber zugesetzt (in der Regel mehr als 4 %), werden die Lotkugeln stattdessen spröde.
• Indium (In)
Indium ist möglicherweise eine Art Metall, das mit Zinn legiert werden kann, um ein Metall mit dem niedrigsten Schmelzpunkt zu bilden. Der niedrigste Schmelzpunkt von 52In48Sn kann bis auf 120 °C sinken, während der von 77,2Sn/20In/2,8Ag bis auf 114 °C reichen kann. In manchen Situationen ist Lot mit niedrigem Schmelzpunkt aufgrund seiner guten physikalischen Eigenschaften und Benetzbarkeit eine gute Wahl. Dennoch ist Indium weltweit so selten, dass es sehr teuer ist. Infolgedessen kann Indium kaum in großem Maßstab eingesetzt werden.
• Zink (Zn)
Da Zink recht gewöhnlich ist, kann es zu einem niedrigen Preis gekauft werden, der dem von Blei ähnelt. Obwohl der Schmelzpunkt von Zink-Zinn-Legierungen niedriger ist als der von reinem Silber, besteht kein Unterschied. Außerdem weist Zink einen deutlichen Nachteil auf: Es reagiert leicht mit dem Sauerstoff in der Luft, wobei Oxide entstehen. Diese Oxide verringern die Benetzbarkeit beim Löten, sodass viel Zinn spritzt oder die Lötqualität abnimmt.
• Wismut (Bi)
Wismut eignet sich auch sehr gut, um die Schmelztemperatur von Legierungen zu verringern. Die Legierung Sn42Bi58 weist eine Schmelztemperatur von nur 138 °C auf, während die von Sn64Bi35Ag1 lediglich 178 °C beträgt. Die Schmelztemperatur einer Legierung aus Zinn, Zink und Wismut kann bis auf 96 °C sinken. Wismut zeigt sehr gute Benetzbarkeit und physikalische Eigenschaften. Seit bleifreies Löten populär geworden ist, ist die Nachfrage nach Wismut stark angestiegen, und Wismut wird hauptsächlich für Produkte verwendet, die kein Hochtemperaturlöten vertragen. Der größte Nachteil von Zinn-Wismut-Legierungen liegt in ihrer geringen Zähigkeit und der unzureichenden Festigkeit der Lotkugeln, weshalb etwas Silber zugesetzt wird, um Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen.
• Nickel (Ni)
Das Hinzufügen von Nickel zum Lot dient nicht dazu, die Schmelztemperatur zu verringern. Schließlich weist reines Zinn im Vergleich zu Nickel-Zinn-Legierungen eine niedrigere Schmelztemperatur auf. Das Hinzufügen einer kleinen Menge Nickel soll lediglich verhindern, dass das Kupfersubstrat während des Lötens aufgelöst wird. Nickel wird insbesondere beim Wellenlöten eingesetzt, um zu verhindern, dass OSP- (Organic Solderability Preservative) Leiterplatten das Kupfer „anätzen“, sodass Lötbarren mit SnCuNi- (SCN-) Legierung beim Wellenlöten verwendet werden.
• Kupfer (Cu)
Das Hinzufügen einer geringen Menge Kupfer zur Lotpaste kann die Steifigkeit des Lots erhöhen, sodass die Festigkeit der Lotkugeln gesteigert werden kann. Außerdem kann eine kleine Menge Kupfer die durch das Lot verursachte Korrosionswirkung verringern. Der Anteil des dem Lot zugesetzten Kupfers sollte weniger als 1 % betragen, da mehr als 1 % Kupfer die Lötqualität möglicherweise verringert.
Zinn bleibt die Grundlage für effektives Löten in der Leiterplattenbestückung, doch die Zugabe von Legierungsmetallen wie Silber, Indium und Kupfer verbessert die Leistung, indem sie die Schmelzpunkte senkt und die mechanische Festigkeit erhöht. Die Möglichkeit, Lötpastenformulierungen zu modifizieren, ermöglicht eine schnelle und reproduzierbare Herstellung von Leiterplatten, was entscheidend ist, um die anspruchsvollen Spezifikationen moderner Elektronik zu erfüllen. Das Verständnis der Rolle der Legierungsmetalle stellt sicher, dass Lötprozesse optimale mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften liefern.
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