Neuartige Lotlegierung Bleifrei löten bei plus 138 Grad Celsius

Durch die RoHS-Richtlinie verbot die EU den Einsatz bestimmter giftiger Substanzen wie Blei. Bleifreie Lotlegierungen haben aber einen höheren Schmelzpunkt, was den Energieaufwand und damit die Kosten erhöhte – ganz zu schweigen von dem höheren Ausstoß an Kohlendioxid. Doch es gibt einen Ausweg.

Seit Inkrafttreten der RoHS-Richtlinie werden nahezu ausnahmslos bleifreie Lotlegierungen eingesetzt. Üblich sind seitdem vor allem SAC- und SnCu-Legierungen, deren Schmelzpunkt bei +218 °C bis +228 °C liegt. Dies hat gegenüber der bisherigen Standardlegierung SnPb (Zinn-Blei) den Energieaufwand vergrößert, weil das Lot stärker aufgeheizt werden muss, um flüssig zu werden. Vor kurzem hat MTM NE-Metalle die Legierung BSA vorgestellt, die auf Bi (Wismut), Sn (Zinn) sowie Ag (Silber) basiert und deren Schmelzpunkt bei nur +138 °C liegt.

Bekannt ist die BSA-Legierung zwar schon seit Ende der 1990er Jahre, kam vorzugsweise jedoch als Lotpaste für das Reflow-Löten bei SMD-Bauteilen meist im Bereich der LED-Technik zum Einsatz – nicht aber beim Wellenlöten der Durchsteckmontage. Üblicherweise werden daher erst SMD-Komponenten festgelötet, bevor die bedrahteten Bauteile mit der Leiterplatte verbunden werden.

Problematisch ist dabei, dass beim Wellenlöten mit SAC/SnCu etwa +250 °C erreicht werden: Alles, was also zuvor mit niedrigschmelzender Legierung gelötet worden ist, schmilzt erneut auf. Deshalb ließ sich BSA-Lotpaste bislang nicht verwenden, wenn in der Produktion ein hitzeintensiver Wellenlötprozess nachgeschaltet war. Gelänge das Wellenlöten mit BSA, böten sich vollkommen neue Möglichkeiten für nahezu alle Anwendungen in der gesamten Elektronikbranche.

Ende 2011 entschloss sich Fujitsu Technology Solutions, die BSA-Legierung für das Wellenlöten zu qualifizieren. Eugen Kastner, heute Projektleiter BSA bei der Herstellerfirma MTM NE-Metalle, der die Löttechnik bei Fujitsu 15 Jahre lang verantwortet hatte, war Initiator und bei der Qualifizierung die treibende Kraft: »Beim Bedarf für die Versuche bin ich insgesamt von einer Tonne BSA ausgegangen, und zwar nicht als Paste, sondern in Form von Massivbarren, bestehend aus 57,6 % Wismut, 42 % Zinn und 0,4 % Silber.«

Nachdem aber Lotbarren dieser Legierung europaweit nicht verfügbar waren, musste zuerst große Überzeugungsarbeit bei den namhaften Lotlieferanten für die Bereitschaft zur Herstellung und Lieferung für dieses wegweisende Zukunftsprojekt geleistet werden.

Der geringe Anteil von Silber in einer Wismut-Zinn-Legierung erhöht die Lötstellenzuverlässigkeit, denn das Material wird feinkörniger und duktiler. Dies verbessert die Lötbarkeit und die Anwendung. Von den zwei bekannten BSA-Legierungen mit 0,4 % und 1 % Silber wurde nur erstere zur Qualifikation verwendet. In Kombination mit BSA eignen sich eine Reihe von marktgängigen Flussmitteln, die bereits im No-Clean-Prozess nach bestandener SIR-Testmethode (Surface Insulation Resistance) eingesetzt worden sind.

Die Legierung ist mit einer Dichte von 8,64 g/cm³ vergleichbar mit Sn63Pb37 (Schmelzpunkt +183 °C) circa 15 % schwerer als heute im Einsatz befindliche zinnbasierte bleifreie Lotlegierungen. Dass BSA trotzdem in der Anwendung günstiger ist als bleifreie Zinnlegierungen mit oder ohne Silberanteil, liegt an dessen hohem Anteil an kostengünstigem Wismut. Da der Schmelzpunkt von BSA bei +138 °C liegt, kann der Energieverbrauch in einer Wellenlötanlage um bis zu 40 % gesenkt werden und es wird noch mehr Energie eingespart als vor der Umstellung auf bleifreie Lote. Die Legierung besitzt laut Hersteller ein sehr gutes Lötverhalten und eignet sich zum Wellen-, Selektiv- und Tauchlöten gerade bei sehr anspruchsvoller Elektronik und viellagigen massereichen Lötverbindungen. Bei einer empfohlenen Lotbadtemperatur von +180 °C bis +190 °C ist es für nahezu alle Wellenlötanwendungen in der Elektronikproduktion geeignet. Bei Fujitsu in Augsburg wird es seit Ende 2014 auf mehreren Produktionslinien angewendet.