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-  RoHS-Konformität   -  
für Leiterplatten
(PCP) - Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH - Ihr Deutscher Leiterplattenhersteller

Unser Unternehmen befasst sich bereits seit dem Jahre
2000 mit der Umsetzung der RoHS-Richtlinie, die
weitreichende Änderungen in der Materialbeschaffenheit,
dem Design und den Herstellungsprozessen bis zur
fertigen Baugruppe zur Folge hat. Seit Februar 2004
liefern wir RoHS-konforme Leiterplatten in verschiedenen
Oberflächenveredelungen, u.a. auch Hot-Air-Leveling in
bleifreier Verzinnung.

Z ur allgemeinen Information wird in diesem Artikel auf
den aktuellen Stand der Technik und die verschiedenen
Umsetzungsmöglichkeiten der RoHS-Anforderungen
eingegangen.

 

 
  Bedeutung der ROHS-Richtlinie  
  Die unter dem Kürzel RoHS bekannte Richtlinie der EU beschränkt den Einsatz der
Schwermetalle Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges Chrom sowie der
Flammhemmer polybromiertes Biphenyl (PBB) und polybromierter Diphenylether
(PBDE). Die Vorschrift gilt für ab dem 1. Juli 2006 neu in Verkehr gebrachte Elektro-
und Elektronikgeräte.

 
  ROHS-Konformität der Materialbestandteile im Basismaterial und
Lötstopplack
 
  Die RoHS-Konformität der Basismaterialien und der Lötstopplacke wird durch die
Hersteller ohne Einschränkung bestätigt, da das in die Harzmatrix eingebundene
Tetrabrombisphenol A (TBBA Flammhemmer) nicht in freier Form vorliegt, sondern
durch chemische Reaktion bei der Harzherstellung in das Epoxidharz einreagiert ist.

Dies hat allerdings nichts mit der eher marketing-orientierten Forderung nach
"halogenfreiem" Material zu tun.

Halogene sind z.B. die Elemente Brom Br, Chlor Cl ,Fluor F und Jod I und sind oft
als Bestandteil von organischen Verbindungen vorzufinden (PTFE, Fluor-Chlor-
Kohlenwasserstoffe, PCB's, Chloroform, TBBA, Seveso-"Dioxin", etc).

Bei den am Markt verfügbaren, halogenfreien Basismaterialien werden als Flamm-
hemmer Verbindungen aus Stickstoff und Phosphor eingesetzt. Diese Materialien
werden aber nur selten nachgefragt (nur dort, wo die "grüne Leiterplatte" auch
verkaufsfördernd reklamiert werden kann) und sind daher entschieden teurer, was
sich aber mit wachsender Nachfrage auch ändern kann.

 
  ROHS-Konformität der Leiterplatten-Oberflächenveredelung  
  Das Bleiverbot innerhalb der RoHS führt zu den revolutionärsten Änderungen in der
Leiterplattenherstellung und -lötung. Seit Jahren wird nach einem Metall oder auch
einer Legierung geforscht, das vergleichbare Prozess- und Qualitätsergebnisse zum
bewährten Sn63Pb37 liefert. Zum Stand 2005 ist das Ziel noch nicht erreicht. Das
bisherige Alternativangebot erstreckt sich im wesentlichen auf folgende Oberflächen:

  chem. Ni/AU galv. Ni/AU
Verfahren HAL chem.SN chem.
Silber
OSP Sudgold Reduktiv- gold Bond-
gold
Hart-
gold
Metall/
Legierung
-Sn0,7Cu
-Sn0,7Cu0,1Ni
-Sn98,2Ag0,3Cu 0,7Ni0,02
Zinn Silber Organik 99,9Au 99,9Au 99,9Au 99,5Au
0,5Co
Schichtstärke µ <10 <1 0,2-0,4 0,02-0,06 0,05-0,12Au / 4-8 Ni 0,3-0,6 Au / 4-8 Ni 1-2 Au / 4-8 Ni 0,8-5 Au / 4-8 Ni
Planarität befriedigend sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut
Lager-
fähigkeit
bei stabilen
Kondi-
tionen
>12 M <12 M >12 M <6 M >12 M >12 M >12 M >12 M
Mehrfach-
lötbarkeit
sehr gut befriedigend gut bedingt sehr gut sehr gut gut -
reaktivierbar ja ja ja ja bedingt bedingt bedingt bedingt
Al-Draht-
Bonden
nein nein bedingt nein ja ja ja -
Au-Draht-
Bonden
nein nein nein nein nein ja ja -
Drucktasten-
Kontakt
nein nein nein nein ja ja ja ja
Einpress-
technik
ja ja ja nein nein nein nein nein

 
  Quo Vadis Hot-Air-Leveling Bleifrei?  
  Die bleifreien Legierungen in der HAL-Verzinnung haben durchgängig technische und
wirtschaftliche Nachteile gegenüber dem bleihaltigen Lot. Dies bedeutet aber nicht
deren Unmöglichkeit, sondern die Anpassung der HAL-Anlagen und Prozessparameter.

Sn63 Pb37 183 245
Sn98,2 Ag0,3 Cu0,7 Ni0,02 217 250






In Europa hat sich eindeutig die Kupferlegierung gegenüber der Silberlegierung
durchgesetzt, da
- bestehende HAL-Anlagen für die Cu-Legierung in den meisten Fällen umrüstbar sind
- der Kupferabtrag (Leaching-Effect) wesentlich geringer ist gegenüber der sehr
  aggressiven Silberlegierung
- die Cu-Legierung günstiger ist

Die Lagerfähigkeit beträgt über 12 Monate. Wesentliche Nachteile sind die nicht planare
Oberflächenstruktur und die hohe Materialbeanspruchung durch die längere Exposi-
tionszeit bei höherer Betriebstemperatur. Für letzteres fehlen noch empirische Werte, ob
hiermit eine höhere Ausfallrate infolge von Cracks (Kupferrisse in Durch kontaktierung)
einhergeht, die durch denunterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von Kupfer
und Harz entstehen. Zudem werden Basismaterialien angeboten und z.Z. noch weiter
entwickelt, deren Harzsystem einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten in der hier
entscheidenden Z-Achse hat (Standard Epoxidharz: ca. 70ppm/K; Epoxidharze mit
thermischen Füllern: 35 -50 ppm/K).

Die Hot-Air-Leveling-Verzinnung war aufgrund der schlechten Automatisierbarkeit, des
engen Prozessfensters und der schwierigen Arbeitsatmosspähre seit je her ein unbe-
liebtes Verfahren bei den Leiterplattenherstellern. Dennoch haben die wesentlichen
Vorzüge, wie z.B. die Benetzungsfreundlichkeit, die Wirtschaftlichkeit, die Prozessge-
schwindigkeit u.a. das HAL weiterhin als die bevorzugte Oberfläche bewahrt. Nun, wo
einige Vorzüge verloren oder stark reduziert sind, bleibt abzuwarten, ob die chemischen
Oberflächen breitflächig vom Markt akzeptiert werden. Denn, wenn HAL vollständig vom
Markt verschwindet, dann wären die Anlagen für die chemischen Oberflächen für
jedermann auslastbar und chemisch Zinn und chemisch Silber preisneutral
herzustellen.

 
  Chemisch Zinn  
  Chemisch Zinn ist in Westeuropa die Alternative Nr. 1, wenn eine planare Oberfläche für
das Löten von Fine-Pitch-Bauteilen erforderlich ist. Die Schichtdicke beträgt 0,8µ bis 1µ,
kann reaktiviert werden und bietet eine sehr gute Benetzungsfreundlichkeit. Die viel
diskutierte Whiskerbildung ist bei heutigem Stand der Verfahrenstechnik zu vernach-
lässigen, da Inhibitoren bei der eh nur sehr dünnen Zinnschicht das Whiskerwachstum
weitestgehend unterdrücken.

Eine Lagerzeit bis zu 12 Monaten im verpackten Zustand und bei stabilen Lagerkondi-
tionen ist unkritisch. Häufige Temperaturwechsel und Haltezeiten größer 2 Wochen
zwischen Mehrfach lötprozessen sollten vermieden werden, da jeder Temperatur-
wechsel eine Druckspannung des Kupfers in das Zinn auslöst. Sobald Kupfer durch
das Zinn hindurch an die Oberfläche drängt, entsteht Kupferoxid, das eine
bestimmungsgemäße Benetzung mit Lot beeinträchtigt/verhindert.

Alterung am Beispiel einer chemisch Zinn-Oberfläche:
23°C 1 µ in 2 Jahren
80°C 1 µ / Monat
190°C 1 µ / Stunde
330°C 1 µ / Sekunde



 
 
Chemisch Silber
 
  Chemisch Silber kommt vornehmlich in Nordamerika und Süd-Ostasien zum Einsatz,
während die Nachfrage in Europa noch recht gering ist. Dies mag an dem geringen
Bekanntheitsgrad oder dem "unschönen" Erscheinungsbild nach dem ersten Lötpro-
zess liegen (nicht verlötete Pads sehen dunkel-verfärbt-angelaufen aus, was aber keine
Bedeutung für die weitere Benetzungsfreundlichkeit hat). Die Schichtstärke beträgt 0,2µ
bis 0,4µ und bietet eine hervorragende Benetzung. Die Lagerzeit beträgt bis zu 12
Monaten, wobei die Leiterplatten unbedingt in der Originalverpackung eingelagert
werden müssen, da Silber als Reaktion insbesondere mit Schwefel Sulfide bildet und
somit die Benetzung beeinträchtigt. Daher sollte der direkte Kontakt zu schwefelhaltigen
Stoffen (Papier, Karton, Trocknungsmittel) vermieden werden. Die Oberfläche ist aber
reaktivierbar. Ein Nachteil ist die Neigung zur Elektromigration, insbesondere unter
Einfluss von Feuchtigkeit.

 
  OSP - Organic Solderability Preservative  
  Die organische Passivierung von Kupfer ist im Grunde die ideale Oberfläche für alle
Beteiligten, wenn da nicht die wesentliche Einschränkung der Lagerdauer (max. 6
Monate) und der nur bedingten Fähigkeit zu Mehrfachlöt-Prozessen wäre.

Eine sehr preiswert herzustellende, 0,02µ bis 0,06µ starke, organische Schicht schützt
das Kupfer vor der Oxidation. Erst durch das Fluxmittel und durch thermische Belastung
bricht die Schicht auf und eine einwandfreie Lötung direkt auf Kupfer ist möglich.

Wenn Lötparameter und Fluxer für diese Oberfläche gut abgestimmt werden, so sind
bis zu zwei Lötprozesse möglich, die allerdings in sehr kurzen Zeitabständen zueinan-
der erfolgen müssen, sonst entstehen viele kalte Lötstellen bei zweiter Lötung.

 
  Chemisch Nickel-Gold (Sudgold)  
  Chemisch Nickel-Sudgold ist aufgrund der hohen Kosten nicht unbedingt als Bleifrei-
Alternative zum HAL zu betrachten. Es bietet zwar zusammen mit der bleifreien Silber-
paste im Reflowprozess die besten Benetzungseigenschaften, aber chemisch Zinn
oder chemisch Silber sind hier völlig ausreichend.

Chemisch Nickel-Sudgold ist dann gefragt, wenn es um eine sehr gute Alu-Draht-
Bondfähigkeit oder um Applikationen wie Tipp- und Schleifkontakte geht.

Die 0,05-0,2µ starke Goldschicht löst sich während des Lötens auf. Die eigentliche
Lötung erfolgt auf Nickel.Die Lagerzeit beträgt mehr als 12 Monate und Mehrfachlöten
ist auch bei größeren Zeitabständen unproblematisch.

 
  Reflowlöten  
  Insoweit die vorhandenen Lötöfen für die um 30 K - 40 K höheren Schmelztemperaturen
geeignet sind, sollten für das bleifreie Reflowlöten einige Testläufe mit immer dem
gleichen Leiterplattenlayout, aber verschiedenen Lotpasten, durchgeföhrt werden. Es
ist eine Auswahl von Lotpasten – SnAg(Cu) in verschiedenen Anteilsverhältnissen -
entwickelt worden, bei denen die Siede- und Wirktemperaturen der Flussmittelsysteme
auf das verwendete Lötprofil abgestimmt sind. Je kleiner die Lotkügelchen, desto
größer ist deren relative Oberfläche, die bei den höheren Temperaturen vor Oxidation
geschützt werden muss.

Da der Benetzungwinkel der bleifreien SnAg(Cu)-Legierungen bis zu 300% über
dem der SnPb-Legierung liegt, ergibt sich eine schlechtere Benetzbarkeit, womit ein
geringerer Selbstzentrierungseffekt der Bauteile, ein geringerer Querschnitt und somit
eine geringere Scherfestigkeit einhergehen kann. Daher ist ein möglichst geringer
Versatz im Schablonen-Pastendruck erforderlich. Eine sauerstoffarme Umgebung ist
zu bevorzugen, um die Oxidbildung zu reduzieren. Das Dampfphasenlöten und insbe-
sondere das Konvektionslöten unter Stickstoffatmosphäre bieten hier klare Vorteile.

 
  Wellenlöten  
  Sn-Legierungsbasis im Überblick:
 
Legierung Schmelz-
punkt °C
Tpeak °C
Reflow/
Konvektion
T-Bad °C
Welle
wesentliche Vor- und Nachteile
Sn3,5Ag07Cu 217 230 255-265 sehr gute Benetzbarkeit; weniger Materialstress durch geringere Temperatur; Teure Legierung wegen hohem Silbergehalt; hoher Leaching-Effect; sehr aggressiv gegenüber anderen Metallen, Anlagen müssen gegen Ablegierung geschützt werden;
Sn3,5Ag 221 235 255-265 vergleichbar Sn3.5Ag07Cu, jedoch mehr Materialstress durch höhere Temperatur; enges Prozessfenster bez. Cu-Gehalt
Sn0,7Cu 227 240 260-270 Materialstress durch erhöhte Temperatur; insbesondere bei Reflowlöten widerstehen nicht alle Bauteile der hohen Temperatur; günstige Legierung; höhere Zyklenresistenz gegenüber Ag- Legierungen; bestehende Lötanlagen oftmals nachrüstbar, da weniger Werkstoffangriff
Sn0,7Cu0,1Ni 227 240 260-270 vergleichbar Sn0,7Cu, allerdings durch Ni-Zusatz besseres Erstarrungsverhalten, reduzierte Brückenbildung; geringerer Leaching- Effect (geringere Krätzebildung)

Um 150 g Kupfer aufzulösen benötigen die Legierungen:
Sn3.5Ag07Cu (2-3 Std.)
SnCu0,7 (8 Std.)
Sn0,7Cu0,1Ni (24 Std.)

Zudem steigt der Kupferabtrag je Legierung mit zunehmender Temperatur progressiv
an. So wurde z.B. bei der SAC SnAG3,5Cu0,7 festgestellt, dass bei Löttemperaturen von
265 °C bis zu 10µ Kupfer abgetragen wurden. Daher ist der sog. Leaching-Effect bei der
Wahl der Legierung in Abwägung aller Vor- und Nachteile in die nähere Betrachtung zu
ziehen.

Allen Legierungen ist gemein, dass gegenüber der SnPb-Legierung höhere Löt-
temperaturen erforderlich sind und die Benetzungskraft geringer ist (weniger stark
ausgeprägter Meniskus; Lunkerbildung). Daher sind Feinabstimmung der Lötparameter
und Hilfsstoffe abhängig vom Lötverfahren gefragt. In jedem Falle müssen geänderte
(aktivere) Fluxmittel zum Einsatz kommen (höherer Feststoffgehalt).

Auch beim Wellenlöten konnte in vielen Versuchsreihen festgestellt werden, dass das
Löten unter Schutzgasatmosphäre wesentliche Vorteile bringt:

- geringe Oxidbildung
- geringe Gas- und Feuchtigkeitsaufnahme
- weniger und kleinere Lunker
- weniger unerwünschte Reaktionen mit dem Fluxmittel
- größere Oberflächenspannung Pad/Lot
- geringere Bildung von Krätze
- verminderter Zinnverbrauch
- geringer Wartungsaufwand

 
  Design  
  Bedingt durch die höheren Löttemperaturen müssen neue Design-Rules erstellt
werden, die auf empirisch zu erstellenden Erkenntnissen beruhen, z.B.:

- Überlegte Anordnung der Bauelemente unter Beachtung der Wärmekapazitäten
- Geeignete Lotfänger einbauen (Wellenlöten)
- In Masse liegende Lötaugen mit Wärmefallen versehen (verbessert den Lotdurchzug
  und reduziert die Lunkerbildung)
- Größtmögliche Isolationsabstände, da höhere Neigung zur Brückenbildung
- Anordnung der Bauelemente in geeignetem Winkel zur Wellenfront

In der jetzigen Übergangszeit belassen es die meisten Anwender bei der HAL-
Verzinnung, nur eben in bleifrei, und die chemischen Oberflächen behalten ihre
bisherige Daseinsberechtigung dort, wo ihre Vorzüge benötigt (Oberflächenplanarität)
oder die applikationsbedingte Notwendigkeit (Bonden, Schleif- Steck- und Tippkontakte)
besteht.

Im Interesse aller ist es erforderlich und vorteilhaft, einen offenen Erfahrungsaustausch
unter allen Marktteilnehmern - also auch gegenüber Mitwettbewerbern - auf der Basis
von Gegenseitigkeit und Fairness zu führen.

 
| Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH mit Sitz in 47877 Willich |
| Registergericht: Amtsgericht Krefeld | Reg.-Nr.: HRB 1444 | USt-IdNr.: DE 120 156 920 |
| Geschäftsführung: Hildegard Völker & Andreas Brüggen | 47805 Krefeld, Oberdiessemer Str. 15 |
| Telefon: ++49 (0) 21 51 825 1 | Telefax: ++49 (0) 21 51 932 450 | eMail: infotern@precoplat.de  |


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