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Bleifreie Lotlegierungen gibt es schon, seit Menschen löten. Die Quellen reichen etwa 5.000 Jahre zurück. Die meisten dieser Legierungen waren Kombinationen wie Kupfer-Silber oder Silber-Gold und wurden beim sogenannten Hartlöten verwendet. Das ist eine Technik, die auch heute noch verwendet wird, um Edel- und Halbedelmetalle miteinander zu verbinden. Eine viel neuere Entwicklung ist das Zusammenlöten elektronischer Komponenten mittels „Weichlöten“, bei dem deutlich niedrigere Temperaturen erforderlich sind.

Früher wurde beim Weichlöten reines Zinn (Sn) verwendet, doch nach und nach suchte man nach Legierungen, die Probleme wie thermische Zyklen, Schockfestigkeit, Elektronenmigration und die Entwicklung von Whiskern in Legierungen auf Zinnbasis beheben konnten. Während es Blei (Pb) gelang, diese Rolle für die meisten Lötanwendungen zu übernehmen, erforderte der schrittweise Verzicht auf Blei aus Produkten sowie neue Anforderungen an immer feinere Komponenten die Entwicklung neuer Lotlegierungen, die diese Rolle übernehmen können.

In diesem Artikel befassen wir uns mit den häufig verwendeten bleifreien Lottypen sowohl für Hobby- als auch für Industriezwecke sowie mit den Dotierstoffen, die zur Verbesserung ihrer Eigenschaften verwendet werden.

Es gibt einen guten Grund, warum Zinn (Sn) so häufig in Weichloten und Lotlegierungen verwendet wird: Es schmilzt bei niedrigen Temperaturen (232 °C) und bietet zusätzlich zu seiner Fähigkeit gute Benetzungseigenschaften (die Fähigkeit, auf dem Pad zu fließen). Löst sich gut mit den meisten Metallen. Diese letzte Eigenschaft ist entscheidend für die Bildung einer guten intermetallischen Verbindung (IMC). Die Qualität dieser IMC-Grenze bestimmt, wie langlebig die Verbindung sein wird. Sowohl die Körnigkeit als auch die Anzahl (und Größe) etwaiger Hohlräume im IMC wirken sich auf diese Haltbarkeit aus.

Die beiden am häufigsten verwendeten Arten bleifreier Lote sind SnAgCu (Zinn-Silber-Kupfer, auch SAC genannt) und SnCu (Zinn-Kupfer). Die SnAgCu-Legierung mit 3 % Silber und 0,5 % Kupfer (SAC305) wurde ursprünglich zusammen mit einer Reihe anderer SAC-Legierungen für die Verwendung in der SMT-Montage empfohlen. Bei diesen anderen Legierungen handelt es sich um Typen mit höherem Silbergehalt, wie z. B. SAC387 (3,8 % Ag) und SAC405 (4 % Ag). Bei diesen Legierungen mit höherem Silbergehalt handelt es sich um echte eutektische Legierungen, die bei einem Schmelzpunkt von 217 °C vollständig von einem Feststoff in eine Flüssigkeit übergehen. Im Gegensatz dazu hat SAC305 einen Temperaturbereich zwischen 217 und 219 °C.

Obwohl SAC eine akzeptable Lotlegierung ist, erhöht die Zugabe von Silber die Kosten. Dies hat die Industrie dazu veranlasst, Legierungen mit niedrigem Silbergehalt (z. B. SAC0307) oder silberfreie Alternativen wie SnCuNi zu verwenden.

Der Schlüssel zu einer zuverlässigen Verbindung liegt in der Qualität der IMC, die erzwungen wird. Es darf nicht zu dick oder zu körnig sein und sollte vorzugsweise keine Kirkendall-Hohlräume aufweisen.

Die IMC jedes Gelenks ist verschiedenen Arten von Alterung und Schädigung ausgesetzt:

Dabei hängen Temperaturwechsel und Thermoschock zusammen, da beide durch Umgebungstemperaturen verursacht werden. Da eine Verbindung wechselnden Temperaturen ausgesetzt ist, unterliegen ihre einzelnen Komponenten einer Wärmeausdehnung, die bei verschiedenen Materialien wahrscheinlich unterschiedlich ausfällt. Die Zugfestigkeit der Verbindung bestimmt dann, an welcher Stelle die entstehende Belastung zur Rissbildung führt.

Normalerweise unterliegt das IMC bei Temperaturwechsel einer Rekristallisation, die zu einer Aufrauung des IMC führt, was die Bildung von Rissen ermöglicht. Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von La2O3-Nanopartikeln die thermische Zuverlässigkeit verbessert, hauptsächlich durch Hemmung des IMC-Wachstums. Legierungen mit hohem Silbergehalt weisen außerdem eine bessere thermische Zuverlässigkeit auf. Auch der Zusatz von 0,1 % Aluminium (Al) zu Legierungen mit niedrigem Silbergehalt hatte einen solchen Effekt, ebenso wie der Zusatz von Ni, Mn und Bi zu SnAgCu-Legierungen.

In ähnlicher Weise hängen Fallaufprall und Vibration zusammen, da es zu einer mechanischen Verformung kommt, die sich auf die Leiterplatte, die Verbindung und das Bauteil auswirken kann. Insbesondere bei BGA-Chips mit großer Pinanzahl kann ein Sturz beim Aufprall erhebliche Schäden verursachen und Eigenschaften wie die Scherfestigkeit der Verbindungen auf die Probe stellen. Die Versagensarten durch mechanische Vibration ähneln denen durch Temperaturwechsel, die durch die allmähliche Entwicklung von Rissen verursacht werden.

Schließlich ist die Elektromigration die heimtückischste von allen, da sie keiner äußeren Einflüsse bedarf. Der ultimative Effekt der Elektromigration ist der Materialtransport innerhalb der Verbindung und des IMC, der durch die allmähliche Bewegung von Ionen verursacht wird, wenn der Impuls durch Elektronen und diffundierende Metallatome übertragen wird. Durch den Strom in der Verbindung zwischen Anode und Kathode entstehen Hohlräume. Mit der Zeit werden diese Hohlräume so groß, dass sich in der Verbindung und im IMC Risse bilden können, bis die Verbindung schließlich versagt. Bei höheren Temperaturen und Strömen beschleunigt sich dieser Prozess.

Um Elektromigration zu verhindern, müssen Temperatur und Stromdichte reguliert sowie die Zusammensetzung und Struktur der Lötverbindung optimiert werden, um deren Widerstand gegen Elektromigration zu erhöhen. Es zeigte sich, dass die Zugabe von Cobolt (Co) die Elektromigrationsbeständigkeit verbessert, ebenso wie die Zugabe von Nickel (Ni) und Wismut (Bi), wobei letzteres auch den Schmelzpunkt der Legierung senkt. Beide scheinen die Elektromigrationsbeständigkeit zu verbessern, indem sie das Wachstum des IMC hemmen, was ein Schlüsselelement zu sein scheint.

In den 70er-, 80er- und großen Teilen der 90er-Jahre wurden praktisch alle Lötarbeiten an relativ großen Pads durchgeführt. Bei den meisten, wenn nicht sogar allen, handelt es sich um Durchstecklöten mit DIP-Paketen oder ähnlichem. Als oberflächenmontiertes Löten und die Verwendung kleinerer Gehäuse wie SOIC, TSSOP, QFN und BGAs an der Tagesordnung waren, wurden die Stärke des IMC und seine Haltbarkeit immer wichtiger, da die Pads immer kleiner wurden.

Wie wir bereits gesehen haben, ist die Elektromigration ein großes Thema, das neben der thermischen und mechanischen Belastbarkeit jetzt und in Zukunft eine große Rolle spielen wird. Lösungen für diese Probleme werden einen Großteil der Lebensdauer unserer Geräte bestimmen und auch darüber, ob das Fallenlassen des neuen Smartphones nur ein Ärgernis ist oder ein halbes Dutzend winziger Lötkugeln auf dem BGA-Hauptgehäuse mit 0,2 mm Rastermaß zerbricht.

Obwohl SnCu als Legierung zum Löten nicht bevorzugt wird, da das Kupfer dazu neigt, ein ziemlich grobes und sprödes IMC zu bilden, gibt es seit den 90er Jahren, als Nihon Superior eingeführt wurde, eine Mikrolegierungsvariante davon, die mit SnPb- und SAC-Legierungen konkurrieren oder diese übertreffen kann SN100C entwickelt, was SnCuNiGe ist. Leider war diese Legierung bis vor Kurzem durch Patente belastet. Der Schmelzpunkt liegt bei 227 °C, wobei 0,05 % Ni eine glänzende Verbindung begünstigen und gleichzeitig die Erosion der Kupferauflagen verringern. Die 0,009 % Ge fördern die Benetzung und verhindern die Bildung von Krätze.

Da diese eutektische Legierung günstiger ist als SnCuAg-Legierungen und bessere Eigenschaften beispielsweise bei der Nachbearbeitung aufweist, scheint sie sowohl für Profis als auch für Hobbybastler eine interessante Wahl zu sein. Da das Patent abgelaufen ist (noch „SN100C“ immer noch als Marke eingetragen ist), haben viele Hersteller diese Legierung inzwischen in ihren Katalog aufgenommen, darunter Stannol und Felder (Sn100Ni+), was die Beschaffung erheblich vereinfacht.

Im Mittelpunkt der Lötlegierungen steht die Materialwissenschaft, die per Definition ein Bereich der Kompromisse ist. Verbessern Sie eine Qualität in einem Bereich und verschlechtern Sie eine Qualität in einem anderen. Wir können dies sehen, wenn wir uns die Verwendung von Mikrolegierungen ansehen, um die mechanische Stabilität des IMC zu verbessern, was zu einer schlechteren Elektromigrationsbeständigkeit usw. führt.

Manchmal wird behauptet, dass wir mit 63/37 SnPb-Lot die perfekte Lötlegierung gefunden hätten, aber da die Elektronik immer weiter miniaturisiert wird und die Forschung an Weichlötlegierungen voranschreitet, stellen wir fest, dass eine Reihe von Anforderungen auftauchen, die damals noch nicht einmal im Entferntesten ein Thema waren in den 1990er Jahren, doch jetzt können wir neues Wissen anwenden, um sie zu lösen. Die Lektüre wissenschaftlicher Arbeiten zu diesem Thema aus dem Jahr 2005 im Vergleich zu heute zeigt wirklich, wie weit wir bereits gekommen sind.

Eine der ärgerlichsten Eigenschaften von Zinn – Zinnwhisker – ist immer noch eine der am schwierigsten vollständig zu lösenden Eigenschaften. Obwohl Blei (Pb) die Entwicklung und das Wachstum von Zinnwhiskern hemmte, war es keine perfekte Lösung. Legierungen wie SnCuNiGe scheinen derzeit in dieser Hinsicht eine vergleichbare Leistung zu bieten und wurden als Drop-in-Lösung empfohlen.

Da Probleme wie die thermischen Zyklen und die Scherfestigkeit immer kleiner werdender Lötverbindungen zu einem Problem werden, lohnt es sich, die Legierungen, die wir für den Zusammenbau von Leiterplatten verwenden, zu verfeinern. Wenn wir die Montage von mehr als 500 Blei-BGA-Gehäusen und deren Zuverlässigkeit über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren im täglichen Gebrauch nahezu sicher machen können, dann bedeutet das, dass weniger Elektronikschrott recycelt werden muss oder auf Mülldeponien landet.

Auch die Suche nach benutzerfreundlicheren und zuverlässigeren Legierungen für Bastler wird zunehmend zum Thema. Bastler stecken nicht mehr nur ein paar DIP-ICs der 74er-Serie in eine Durchsteckplatine. Wir sehen häufiger, dass QFN, TSSOP und ähnliche Pakete verwendet werden. Durch die verbesserte Benetzung und das geringere Brückenbildungspotenzial neuer Legierungen dürfte das Leben für alle besser werden.