Neuartige Lotlegierung Bleifrei löten bei plus 138 Grad Celsius

Höhere Qualität und Produktivität

»Beim Wellenlöten wird Lot und Temperatur gleichzeitig eingebracht, und die Lotkontaktzeit für jede einzelne Lötstelle dauert in der Lötanlage lediglich etwa 1,5 Sekunden«, erklärt Kastner. »Da eine Lötstelle für ihre Entstehung und qualitativ hochwertige Ausführung aber etwa 1,5 Sekunden benötigt, ist die Zeit für die Entstehung einer guten Lötverbindung beim bisherigen Wellenlöten sehr knapp bemessen.« 

Beim Wellenlöten mit BSA liegt die typische Tiegeltemperatur bei +180 °C bis +190 °C, die Vorwärmtemperatur der Leiterplattenoberseite vor dem Wellenlotkontakt sollte +125 °C bis +130 °C betragen. Durch diesen recht geringen Temperaturunterschied zwischen Leiterplatte und Schmelzpunkt des Lotes startet der Benetzungsvorgang unmittelbar mit dem Wellenkontakt . Das Prozessfenster – selbst für thermisch schwierige Lötstellen – vergrößert sich um den Faktor 15, da bis zum Benetzungsstart nahezu kein Wärmetransport in die Lötstelle benötigt wird.

Die Leiterplatte mit ihrer recht großen thermischen Masse fungiert somit als Energiespeicher und hält die Lötstelle sehr lange (zehn bis 60 Sekunden) benetzungsaktiv. So können sich über einen viel längeren Zeitraum als bei der herkömmlichen Löttechnik mehr Mischkristalle zwischen dem Lot und den zu benetzenden Oberflächen bilden, sodass der Prozess stabiler und die Lötqualität reproduzierbarer wird. Die Produktivität der gesamten Fertigungslinie steigt für die komplexesten Elektronikbaugruppen mit den anspruchsvollsten Lötstellen laut Fujitsu um bis zu 50 %, da aufgrund der langen Flüssigphase mit BSA deutlich schnellere Lötgeschwindigkeiten möglich sind.

Geringerer Temperaturstress für die Elektronikprodukte beim Löten und vor allem bei Reparaturaufgaben mit bedrahteten Bauteilen können ein enormer Vorteil bei der BSA-Verwendung sein. So kommt es nicht mehr zu sogenannten »Ausgasern« und auch nicht zum Fillet-Lifting, bei dem sich der Restring durch die heißen Temperaturen hebt und dabei womöglich die elektrische Verbindung unterbrochen wird. Das werde laut MTM NE-Metalle durch die reduzierte Temperatur und die Tatsache, dass sich BSA beim Erstarren geringfügig ausdehnt, ausgeschlossen.

Des Weiteren reagiert BSA nicht abrasiv mit Kupfer: Es kommt nicht zu Kupfer-Leaching, was jetzt Reparaturen ermöglicht, die zuvor nicht durchführbar waren. Darunter fallen Vielfachlötungen oder Mehrfach-THT-Reparaturen und etwa zehn Sekunden benötigter Flüssigphase pro Lötvorgang. Dabei wurde bei SAC/SnCu-Lot immer das gesamte Kupfer der Leiterplatte ablegiert, die Baugruppe irreparabel zerstört. Anstatt wie bisher im Verwurf zu landen, lassen sich mit BSA komplexe bedrahtete Bauteile auch bei viellagigen Leiterplatten reparieren. Die Reparaturquote mit bedrahteten Komponenten stieg bei Fujitsu auf nahezu 100 %, während bisher gerade die komplexesten und teuersten Boards nicht mehr repariert werden konnten und im Schrott landeten.

Ein weiterer entscheidender Vorteil mit BSA ist der verringerte Anteil von Krätze und Zinnoxid. So fallen bei Betrieb in der Volltunnelanlage mit Stickstoffbegasung und auch bei Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen nur noch etwa 50 % der bisherigen Lotabfallmengen an. »Ich bezeichne BSA gern als Best Soldering Application, da sie die umweltfreundlichste Legierung ist und den Lötprozess in allen Belangen am nachhaltigsten macht«, so Kastner. 

Hotspot-Untersuchung vor der Umstellung 

Um zu entscheiden, ob ein Produkt für BSA-Wellenlöten geeignet ist, sollte vorab im Rahmen einer Hotspot-Untersuchung thermografisch oder mit Temperaturfühlern die Stelle mit der höchsten Temperatur beim Betrieb der Elektronik unter Maximallast bei den höchsten zulässigen Umgebungsbedingungen bestimmt werden. Je nachdem, wie weit die nächste Lötstelle davon entfernt ist und wie heiß diese wird – bis +110 °C sind für BSA unbedenklich – stellt BSA immer eine Option dar und sollte die Überlegung für eine Prozessumstellung initiieren.

Eine weitere Bedingung, die sich jedoch im Hinblick auf die Gesetzeslage recht leicht erfüllen lässt, ist folgende: Alle Komponenten wie Leiterplatten, Bauteilanschlüsse oder Metallisierungen müssen zu 100 % bleifrei sein, denn Zinn, Blei und Wismut bilden eine niedrigschmelzende intermetallische Phase Sn/Pb/Bi von weniger als +100 °C Schmelztemperatur. Solche Lötstellen sind nicht zuverlässig. Daher sind RoHS-konforme Bauteile mit Zertifikat zwingend erforderlich.

Bei der Umstellung von herkömmlichem bleifreiem Lot wie SAC oder SnCu auf BSA ist keine weitreichende Änderung an den Parametern oder an den Maschinen selbst nötig. Der Wechsel kann bei bestehenden Lötanlagen als Drop-in-Lösung sofort und mit minimalem Risiko erfolgen. Lieferbar ist das Material unter anderem in Form von Lotbarren oder Pellets, aber auch als Massivdraht, also auch für Selektivlötanlagen mit Drahtzuführung.

»In der Serienfertigung konnten auf vier Produktionslinien mit dem neuen Verfahren bereits mehr als 1,6 Millionen Mainboards erfolgreich gefertigt werden. Die Ausweitung des Wellenlötens mit niedrigschmelzendem Lot auf weitere Produktionslinien ist bei Fujitsu in Augsburg angedacht«, erläutert Dr. Wolfgang Stark, Director Electronic Production. Bei Fujitsu beträgt das Energieeinsparpotenzial mit BSA pro Jahr etwa 250.000 kWh und hat beim deutschen Strommix somit den Ausstoß von Treibhausgasen um circa 140 t verringert.