Bleifreies Löten von technischen Kunststoffen

Am 24. März 2006 trat in Deutschland das Gesetz über das Inverkehrbringen, die Rücknahme und die umweltverträgliche Entsorgung von Elektro- und Elektronikgeräten in Kraft ( Elektro- und Elektronikgerätegesetz –ElektroG ). Hierbei wurden zwei Europäische Richtlinien in nationales Recht umgesetzt. Bei der einen Richtlinie, der  WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) Direktive geht es um die Altgeräte und bei der anderen, der RoHS (Restriction of certain hazardous Substances) Direktive, geht es um Stoffverbote in neuen Geräten, die ab 1. Juli 2006 einzuhalten sind. In dieser Direktive wird unter anderem der Einsatz von Blei in Lötlegierungen bzw. in elektronischen Komponenten verboten.  Der Einsatz von bleifreien Lötlegierungen hat vor allem eine höhere Löttemperatur zur Folge. Dies kann das Aus für Polymere mit niedrigen Schmelzpunkten bedeuten. Insbesondere bei SMD Bauteilen (Surface Mounted Devices) sind die eingesetzten Trägermaterialien auf diese veränderten Temperaturbedingungen anzupassen. Im Folgenden werden die verschiedenen Lötverfahren und geeignete Ticona Materialien dargestellt.

Inhalt:

1. Lötverfahren
2. Ticona Materialien

1. Lötverfahren

Als gängige Lötverfahren sind vor allem das Reflow- und das Wellenlötverfahren zu nennen (Abb. 1). Im industriellen Einsatz sind auch noch das Laser- und das Handlöten; diese Verfahren sind allerdings bei der Massenproduktion elektronischer Komponenten von untergeordneter Bedeutung .

Während beim Wellenlöten die Lötlegierung in eine Wellenbewegung versetzt wird und der Lötvorgang durch Benetzen der Lötstelle durch die Lötwelle geschieht, wird beim Reflowlöten die zuvor an die Lötstelle aufgebrachte Lötpaste durch einen äußeren Energieträger über ein definiertes Temperaturprofil in einem Reflow-Ofen erhitzt.  Dabei schmilzt die  Lötpaste und verbindet die Kontakte der Bauteile mit der Leiterbahn. Je nach Energieträger wird unterschieden in Infrarot-, Konvektions- und Dampfphasen-Reflow-Löten. Industriell kommt heutzutage vorwiegend das Konvektions-Reflow-Löten zum Einsatz, das Dampfphasenlöten gewinnt zunehmend an Bedeutung.

Bedingt durch die höheren Schmelzpunkte der für das bleifreie Löten in Frage kommenden Lötlegierungen liegen die max. Prozeßtemperaturen ca. 40 K über denjenigen des konventionellen Lötprozesses. Die maximalen Prozeßtemperaturen des bleifreien Reflow-Lötprozesses liegen in einem Bereich von etwa 250 - 265 °C. Das zu verlötende Bauteil ist dieser Temperatur ca. 10 - 15 s ausgesetzt. Ein typischer bleifreier Reflow-Prozeßverlauf ist in Abb. 2 dargestellt.

2.Ticona Materialien

Materialien, die in bleifreien Lötprozessen eingesetzt werden, müssen folgende Voraussetzungen erfüllen:

• hohe thermische Beständigkeit
• Resistenz gegenüber Fluss- und Reinigungsmitteln
• hohe Wärmeformbeständigkeit:  
  HDT/A > 220 °C für nicht belastete Bauteile
  HDT/A> 260 °C für belastete Bauteile   
• hohe Dimensionsstabilität
• keine bzw. nur sehr geringe Wasseraufnahme
• Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Leiterplatte

Die Anforderungen an die thermische Beständigkeit des Isoliermaterials sind beim bleifreien Löten besonders hoch. Insbesondere bei SMD-Bauteilen (Surface Mounted Devices) gilt es, die Trägermaterialien an die erhöhnten Temperaturen anzupassen. Hierfür bietet sich der Einsatz von LCP und PPS an. Sowohl das flüssigkristalline Polymer als auch das Polyphenylensulfid besitzen ein hervorragendes Eigenschaftsprofil. Beide Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Wärmeformbeständigkeit (HDT/A > 260 °C für belastete Bauteile) aus. Außerdem haben sie einen niedrigen Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Leiterplatte und sind sehr dimensionsstabil. Vectra LCP und Fortron PPS nehmen keine oder nur sehr geringe Wassermengen auf. Dazu sind sie resistent gegenüber Fluss- und Reinigungsmitteln.

Die nachfolgenden Vectra- und Fortron-Typen verfügen über eine sehr hohe Wärmeformbeständigkeit bzw. Schmelztemperatur und eignen sich daher für bleifreies Löten:

Typ                                         HDT/A                   Schmelztemperatur DSC

Fortron 1130L4                    265 °C                       280 bis 285 °C
Fortron 1140L4                    270 °C                       280 bis 285 °C
Fortron 6165A4                    270 °C                       280 bis 285 °C
Vectra E130i                         276 °C                             335 °C
Vectra S135                          340 °C                             355 °C
Vectra S471                          323 °C                             355 °C
Vectra E471i                         270 °C                             335 °C
Vectra E820i Pd                   220 °C                             335 °C
Vectra E820i LDS                220 °C                             335 °C

Weitere Informationen

Der Verband ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie) hat eine Broschüre zu dem Thema zusammengesetellt. Um diese herunter zu laden klicken Sie bitte hier.

Weitere Informationen zu dem Verband erfahren Sie auf deren Website.