Wirtschaftliches Wellenlöten BSA-Niedrigschmelzlot für energieeffiziente Elektronikproduktion - KEM

Wirtschaftliches Wellenlöten

BSA-Niedrigschmelzlot für energieeffiziente Elektronikproduktion

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Bei Fujitsu Technology Solutions in Augsburg wurde das Wellenlöten lange Zeit mit SnCu- und SAC-Legierungen mit Schmelztemperaturen bei 218 bis 228 °C durchgeführt. Vor kurzem stellte die MTM NE-Metalle GmbH die niedrigschmelzende Legierung BSA zur Verfügung, so dass Fujitsu einen besonders energieeffizienten Fertigungsprozess für das Wellenlöten in der Elektronik-Produktion erstmalig qualifizieren und in die Serienfertigung übernehmen konnte.

Holger Göttmann, freier Redakteur, München, i.A. von MTM NE-Metalle, Essen

BSA basiert auf Bi (Wismut), Sn (Zinn) sowie Ag (Silber) und hat einen Schmelzpunkt von nur 138 °C. Damit ist es ideal für hochkomplexe, thermisch anspruchsvolle Elektronikprodukte geeignet, wobei der Energieverbrauch um 40 % sinkt und die Qualität trotzdem steigt. Durch die niedrigen Prozesstemperaturen können bei Fujitsu auf vier Produktionslinien etwa 250000 kWh Strom im Jahr eingespart werden, wodurch 140 t CO2 gar nicht erst entstehen.

Die 2006 in Kraft getretene RoHS-Richtlinie der EU führte zu einem Verbot der Verwendung bestimmter toxischer Substanzen wie Blei und zum nahezu ausnahmslosen Einsatz bleifreier Lotlegierungen. Zwar ist BSA seit Ende der 1990er Jahre bekannt, es wurde bisher jedoch nur beim Reflowlöten der SMD-Bauteile verwendet, da es beim anschließenden Wellenlöten mit den üblichen SAC/SnCu-Loten mit etwa 260 °C zu einem Wiederaufschmelzen und damit zum Entlöten der bereits mit niedrigschmelzendem Lot gefertigten Bauteile kommen kann. Gelingt das Wellenlöten mit BSA jedoch, ergeben sich zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten in der Elektronikbranche.

BSA ist mit einer Dichte von 8,64 g/cm³ vergleichbar mit Sn63Pb37 und circa 15 % schwerer als heute im Einsatz befindliche Zinn-basierte bleifreie Lotlegierungen. Während Sn63Pb37 einen Schmelzpunkt von 183 °C hat, schmilzt BSA bereits bei 138 °C, wodurch mehr Energie eingespart werden kann. Dass BSA in der Anwendung günstiger ist, liegt an dessen Wismut-Anteil. Die Legierung hat ein sehr gutes Lötverhalten und wird idealerweise zum Wellen-, Selektiv- und Tauchlöten verwendet. Sie ist für anspruchsvolle Elektronik, hochlagige massereiche Lötverbindungen und nahezu alle Anwendungen bei einer empfohlenen Lotbadtemperatur von 180 bis 190 °C geeignet.

Wellenlöten mit BSA bei Fujitsu in Augsburg

2011 startete Fujitsu die Qualifikation der BSA-Legierung für das Wellenlöten. „Lotbarren dieser Legierung waren bisher europaweit nicht verfügbar und daher mussten wir große Überzeugungsarbeit bei den namhaften Lotlieferanten leisten“, erinnert sich Eugen Kastner, heute Projektleiter BSA bei MTM NE-Metalle GmbH und treibende Kraft hinter der Qualifizierung. „Der geringe Anteil von Silber in einer Bismut-Zinn-Legierung erhöht die Lötstellenzuverlässigkeit, die Duktilität und verbessert die Lötbarkeit.“ Bei Fujitsu beträgt das Energieeinsparpotential mit BSA pro Jahr etwa 250000 kWh, was einer Reduzierung der Treibhausgase um circa 140 t bei deutschem Strommix entspricht. BSA ist damit kosteneffizienter als herkömmliche bleifreie Legierungen und äußerst umweltschonend. Das Wellenlöten mit niedrigschmelzender Lotlegierung wurde mit dem Kumas-Leitprojekt 2016 ausgezeichnet. „In der Serienfertigung konnten auf vier Produktionslinien mit dem neuen Verfahren bereits mehr als 1,6 Mio. Mainboards erfolgreich gefertigt werden. Die Ausweitung des Wellenlötens mit niedrigschmelzendem Lot auf weitere Produktionslinien ist bei Fujitsu in Augsburg angedacht“, so Dr. Wolfgang Stark, Director Electronic Production bei der Fujitsu Technology Solutions GmbH.

Signifikante Qualitäts- und Produktivitätssteigerung durch BSA

„Beim Wellenlöten werden Lot und Temperatur gleichzeitig eingebracht und die Kontaktzeit für jede einzelne Stelle dauert in der Anlage nur etwa 1,5 Sekunden“, erklärt Kastner. „Diese Zeit ist für die Entstehung einer guten Lötverbindung jedoch knapp bemessen.“ Mit BSA wird dieses Prozessfenster vergrößert, denn die typische Tiegeltemperatur liegt bei 180 bis 190 °C und die Vorwärmtemperatur der Leiterplattenoberseite vor dem Wellenlotkontakt sollte 125 bis 130 °C betragen. Durch den sehr geringen Temperaturunterschied der Leiterplatte zum Schmelzpunkt des Lotes startet unmittelbar mit dem Wellenkontakt der Benetzungsvorgang. Die Leiterplatte mit ihrer großen thermischen Masse fungiert als Energiespeicher und hält die Lötstelle etwa 10 bis 60 s benetzungsaktiv. Dadurch können sich mehr Mischkristalle über einen längeren Zeitraum als bei herkömmlicher Löttechnologie zwischen dem Lot und den zu benetzenden Oberflächen bilden, was für zusätzliche Stabilität des Prozesses und eine reproduzierbare Lötqualität sorgt. Die Produktivität der Fertigungslinie steigt für komplexe Elektronikbaugruppen mit anspruchsvollen Lötstellen um bis zu 50 %, da aufgrund der langen Flüssigphase mit BSA deutlich schnellere Lötgeschwindigkeiten möglich sind.

Keine abrasive Reaktion mit Kupfer

Durch den geringeren Temperaturstress für die Elektronikprodukte beim Löten und bei THT-Reparaturaufgaben kommt es nicht mehr zu Ausgasern und Fillet-Lifting, bei dem sich der Restring durch die heißen Temperaturen hebt und dabei die elektrische Verbindung kappt. Das ist durch die reduzierte Temperatur und die Tatsache, dass sich BSA beim Erstarren geringfügig ausdehnt, ausgeschlossen. „Ein entscheidender Vorteil von BSA ist der verringerte Anteil von Krätze und Zinnoxid“, berichtet Kastner. „So fallen bei Betrieb in der Volltunnelanlage mit Stickstoffbegasung und bei Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen nur noch etwa 50 % der bisherigen Lotabfallmengen an.“ BSA ermöglicht Reparaturen, die vorher nicht möglich waren, da es nicht zu Kupfer-Leaching kommt. Anstatt wie bisher im Verwurf zu landen, lassen sich mit BSA alle komplexen THT-Bauteile auch bei hochlagigen Leiterplatten reparieren und die Reparaturquote steigt auf nahezu 100 %. bt

http://www.mtm-ne.de/bsa/


„BSA ermöglicht Reparaturen, die vorher nicht möglich waren.“

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