Einführung 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten Günter Grossmann EMPA Dübendorf 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 1 Inhalt Warum bleifreie Lote Herausforderung Bleifreie Lote in der Produktion Zuverlässigkeit bleifreier Lote 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 2 Warum bleifreie Lote Warum bleifreie Lote Bleihysterie / Bleihistorie 1960... der als kritisch erachtete Grenzwert für Blei im Blut liegt bei 60 µg/dl 1975... eine amerikanische Studie* zeigt bedenkliche Werte der Bleikonzentration in den Blutwerten der Bevölkerung; Ursache: unkontrollierte feinverteilte Blei-Emissionen aus Auto-Abgasen und Farben in die Umwelt; Abhilfe: Verbot bleihaltiger Farben (1978) und bleihaltiger Antiklopfmittel im Benzin (1986); Auswirkung: positiv - Blutwerte werden wieder besser Interessanterweise haben mit Zinn-Blei-Legierungen gelötete Fischdosen den Anstoß zu dieser Studie gegeben, waren aber nicht die Ursache dieser hohen Bleibelastung der Bevölkerung. 2004... Eine weitere Studie zeigt bedeutend niedrigere Bleiwerte im Blut; weiter gesenkte zulässige Grenzwerte ... der als kritisch erachtete Grenzwert für Blei im Blut liegt bei 10 µg/dl Quelle: Thomas Ahrens, Trainalytics 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 3 Bleiverteilung Warum bleifreie Lote 120 6% Blei aus Benzin (kt) 7% Bleikonz. im Blut (µg/dl) 100 4% Grenzwerte für Pb im Blut (µg/dl) 80 12% 60 71% 40 20 0 1965 Batterien 1970 1975 1980 1985 1990 1995 Jahr Quelle: K. Sexton et al., American Scientist 2004 2000 2005 Pigmente/Chemikalien Bleche/Extrusion Munition Andere Quelle: World Resources Forum 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 4 Warum bleifreie Lote Veröffentlicht Nationales Recht Übergangsfrist bis Der Auslöser 27. Januar 2003, 13. August 2004, 1. Juli 2006 1. Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) (Richtlinie 2002/96/EG über Elektro- und Elektronik-Altgeräte) 2. The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment (RoHS) (Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronik-Geräten) Pb Blei Hg Quecksilber Cd Cr+6 sechswertiges Chrom PBB* polybromierte Biphenyle PBDE * polybromierte Diphenylether Cadmium 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 5 Herausforderungen Herausforderungen 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 6 Produktion T Maschine Messunsicherheit Keine Diffusion Flüssig T Baugruppe T Baugruppe T Maschine Messunsicherheit Keine Diffusion Flüssig Keine Diffusion Flüssig Messunsicherheit Fest T Maschine Prozessfenster gute Lötstelle Prozessfenster Fest Temperatur [°C] Prozessfenster T Baugruppe Fest Herausforderungen 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 7 7 Herausforderungen Komponenten Delamination 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 8 Herausforderungen Flussmittel Adipinsäure Bernsteinsäure Harnsäure Salicylsäure Kolophonium Polymere Alkohol Wasser Quelle E. Westerlaken Ohne N2 Mit N2 Quelle M. Novottnik 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 9 Empa, , 9 Leiterplatten Herausforderungen Phenolharz Papier Fliess Baumwolle Asbest Fliess Gewebe Glas Nylon Melaminharz FR2 Gewebe CE A AA Fasern G2 Gewebe G3 Fasern N1 Ungefüllt -ES1, ES3 Glas Gewebe G5, G9 Papier Papier Ungefüllt Glas Aramid Fliess Fliess -Gewebe Fliess Polyester Glas Gewebe GPO1, GPO2 Polyimid Glas Gewebe PTFE Ungefüllt Epoxidharz FR3 CEM1 GFK als Aussenlage CEM3 GFK als Aussenlage FR4, FR5 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 10 Prozesse Herausforderungen Vorheizen : 140°C- 180°C abhängig vom Flussmittel Aufheizgradient : max. 3K / sec Tmin : T Liquidus + 15°C t (T>Tliquidus) : 30- 120sec Temperatur 250°C Tmin Tliquidus 30-120 sec Vorheizen 3K / sec 3K / sec Zeit 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 11 Herausforderungen Mehr Zonen Zonentrennungen Quelle ERSA Stickstoff Quelle H. Bell, Rehm Quelle H. Bell, Rehm 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 12 Zinn Herausforderungen Rohstoffpreise Quelle: www.querschüsse.de 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 13 Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit Grundlagen Elastische Deformation In der elastischen Deformation bestimmt die aufgebrachte Last die Deformation einer Probe. Die Deformation geht zurück auf 0, wenn die Kraft F nicht mehr wirkt Kriechdeformation In der Kriechdeformation bestimmt die aufgebrachte Last die Geschwindigkeit der Deformation, nicht die Deformation selbst. Die eingebrachte Deformation bleibt, wenn die Kraft F nicht mehr wirkt 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 14 Zuverlässigkeit Lot primär Kriechdeformation Zeitabhängig (t) Temperaturabhängig (ϑ) Spannungsabhängig () Degradation= Low Cycle Fatigue dehnungsabhängig () Verhalten f (t, ϑ, materialspezifisch Übergang duktil zu spröd 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 15 NCSM Lead Free CD Zuverlässigkeit Schwingermüdung Spröde Materialien 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 16 Zuverlässigkeit Verschiedene Lote 3000 Zyklen -20°C/ 120°C SnPb SnAg 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 17 Zuverlässigkeit Langsame Zyklen -50°C / 140°C Temperaturschock -50°C / 140°C Langsame Zyklen -20°C / 80°C Jean- Paul Clech Lebensdauer von Lötstellen bare Chip 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 18 Zusammenfassung Zusammenfassung Die Umstellung auf bleifreie Lote schränkt den Spielraum in der Produktion ein. Die Produktion mit bleifreien Loten ist toleranter als erwartet verlangt aber vermehrtes Fachwissen. Die europäische Industrie hat die Umstellung erstaunlich schnell geschafft. 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 19 Zusammenfassung Die Zuverlässigkeit von bleifreien Loten ist je nach Lot und Belastung besser oder schlechter als SnPb. - Bei grossem Temperaturhub und langsamen Zyklen fallen bleifreie Lötstellen tendenziell früher aus Bei reduziertem Hub und langsamen Zyklen fallen bleifreie Lötstellen tendenziell später aus Bei Vibrationen, vor allem bei tiefen Temperaturen, tendieren silberhaltige Lötstellen zu frühen Ausfällen Die an der EMPA untersuchten Schadensfälle sind primär auf Produktionsmängel zurückzuführen Frühausfälle aufgrund neuer Lotlegierungen konnten bisher nicht eindeutig identifiziert werden 10 Jahre Erfahrung mit bleifreien Loten/ © G.Grossmann / 2014 / Folie 20
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