Langzeit-Zuverlässigkeitsuntersuchungen von bleifrei gelöteten Flachbaugruppen Zuverlässig über mehr als 10 Jahre

Gerade der Ersatz von Blei in dem in der Elektronik praktisch überall eingesetzten Lot stellt die Branche vor einige Herausforderungen. Denn die Löttemperaturen mit den bleifreien Ersatzloten erhöhen sich teilweise beträchtlich – was zur Zerstörung von verwendeten Komponenten oder Beeinträchtigungen der Langzeit-Zuverlässigkeit der Baugruppen führen kann. Mit Versuchen zur Langzeit-Zuverlässigkeit konnte SBS Technologies nachweisen, dass die Umstellung auf bleifreie Löttechnologie keinerlei negative Auswirkungen hat.

Langzeit-Zuverlässigkeitsuntersuchungen von bleifrei gelöteten Flachbaugruppen

Gerade der Ersatz von Blei in dem in der Elektronik praktisch überall eingesetzten Lot stellt die Branche vor einige Herausforderungen. Denn die Löttemperaturen mit den bleifreien Ersatzloten erhöhen sich teilweise beträchtlich – was zur Zerstörung von verwendeten Komponenten oder Beeinträchtigungen der Langzeit-Zuverlässigkeit der Baugruppen führen kann. Mit Versuchen zur Langzeit-Zuverlässigkeit konnte SBS Technologies nachweisen, dass die Umstellung auf bleifreie Löttechnologie keinerlei negative Auswirkungen hat.

Die „Richtlinie 2002/95/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 27. Januar 2003 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten“, nach der englischen Version kurz RoHS genannt, wird zum 1. Juli 2006 in Kraft treten. Danach dürfen die in dieser Richtlinie definierten gefährlichen bzw. gesundheitsschädlichen Stoffe wie z.B. Blei, Quecksilber, Chrom IV und einige häufig als Flammhemmer eingesetzte Stoffe (z.B. PBB und PBDE) in Europa nicht mehr in neuen Elektro- und Elektronikgeräten eingesetzt werden.

Konfrontiert mit dieser Gesetzeslage, setzte sich die europäische Niederlassung von SBS Technologies in Augsburg, die robuste und zuverlässige Hochleistungs-Computer für die Industrie, die Telekommunikation und für den Einsatz in Luft- und Raumfahrt herstellt, sehr frühzeitig mit dieser Thematik auseinander. Die erklärte Philosophie des Unternehmens ist es, stets beste Qualität bei möglichst geringer Umweltbelastung zu produzieren. Folgerichtig ist die Augsburger Europazentrale des US-Unternehmens nach den entsprechenden Qualitäts- (ISO 9001:2000) und Umwelt-Standards (ISO 14001) sowie zahlreichen kundenspezifischen Audits qualifiziert. Dabei profitierte das Werk in Augsburg beim frühzeitigen Umstieg auf die bleifreie Fertigung vom Wunsch eines großen Kunden, Prototypen einer vollständig bleifreien Baugruppe in gewohnter Qualität spätestens im 2. Quartal 2005 zu erhalten.

Da bei SBS Technologies in Augsburg nur die Endmontage und der Endtest erfolgen, die in Großserie produzierten Geräte aber von dem Auftragsfertiger BMK professional electronics GmbH in Augsburg hergestellt werden, wurde 2003 ein Pilotprojekt gestartet. Gemeinsam mit dem Kunden und dem Auftragsfertiger wurde eine bleifrei gelötete Baugruppe des Kunden beschleunigter Alterung ausgesetzt und anschließend getestet. Hierbei handelt es sich um eine beidseitig bestückte 16-lagige Leiterplatte – halogenfreies Basismaterial (Isola Duraver-E-Cu156) mit chemisch Zinn-Oberfläche und halogenfreiem Lötstopplack –, die zweimal reflow-gelötet wird. Die bleifreie Lotpaste aus SnAg3,0Cu0,5 hatte einen Flussmittelanteil von 11,5 % und einen Schmelzpunkt von 220 °C. Für die per Hand verlöteten Steckverbinder wurde SnAg2,9Cu0,5-Lot eingesetzt. Da zum Testzeitpunkt nur wenige Bauteile in bleifreier Ausführung – vorwiegend SMT-Kondensatoren und -Widerstände – erhältlich waren, sind die Testmuster sowohl mit bleifreien als auch mit bleihaltigen Komponenten bestückt. Um die Unabhängigkeit der Ergebnisse zu garantieren, wurden die Untersuchungen am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Universität Erlangen durchgeführt.

Langzeit-Zuverlässigkeit von Baugruppen

Vor der Einführung einer neuen Technologie oder neuartiger Werkstoffe muss Sicherheit über das Langzeitverhalten der damit hergestellten Produkte bestehen. Durch den zunehmenden Einsatz von Elektronikbaugruppen in sicherheitsrelevanten Systemen der Medizintechnik und im Automobil – hier unter teilweise extremen äußeren Einflüssen – wird die Bedeutung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit noch verstärkt. Infolge von thermischen, mechanischen und klimatischen Belastungen können sich Veränderungen und Schädigungen an den Schaltungsträgern, an den auf der Baugruppe montierten Bauteilen oder an den Lötstellen ergeben, die zu Funktionsbeeinträchtigungen bis hin zum Totalausfall des Gerätes führen können. Somit hängt die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen zu einem wesentlichen Teil von der Lebensdauer der Lötstellen ab. In Bild 1 sind die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Lebensdauer einer Lötverbindung dargestellt.

Prüfung der Langzeit-Zuverlässigkeit

Nachdem die wohl bedeutendste Schädigungsart von Lötstellen die durch Temperaturwechsel hervorgerufene Ermüdungsrissbildung ist, kommt dieser Schädigungsart bei der Lötstellenprüfung eine entscheidende Bedeutung zu. Um in vertretbarer Zeit Aussagen zur Eignung unterschiedlicher Werkstoffe und zur Qualifizierung neuer Verfahren zu erlangen, existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Prüfnormen zur Bestimmung der Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen. Prinzipiell stehen bei der Durchführung von beschleunigten thermo-mechanischen Alterungsanalysen zwei Standardverfahren zur Verfügung:

  • schnelle Temperaturwechsel im Zwei-Kammer-Prüfsystem,
  • langsame Temperaturwechsel mit festgelegter Änderungsgeschwindigkeit.

Beide Verfahren sind durch spezifische Vor- und Nachteile gekennzeichnet. Um eine möglichst umfassende Aussage über die Langzeit-Zuverlässigkeit von bleifreien Baugruppen machen zu können, ließ SBS Technologies beide Methoden anwenden.