Die Auswahl einer Lötpaste wird häufig auf zwei Merkmale reduziert: Legierung und Pulvergröße. In der Praxis reicht das jedoch nicht aus.
Eine Lötpaste ist ein komplexes System aus Metallpulver und Flussmittel, dessen Eigenschaften auf den jeweiligen Fertigungsprozess abgestimmt sein müssen. Schablonendesign, Bauteilgeometrie, Reflow-Profil, Atmosphäre, Produktionsunterbrechungen und die Anforderungen an die fertige Baugruppe beeinflussen die Auswahl.
Eine technisch geeignete Lötpaste muss deshalb nicht nur gute Lötergebnisse liefern. Sie muss vor allem eines ermöglichen: einen stabilen und reproduzierbaren Prozess.
1. Die richtige Legierung
Am Anfang der Auswahl steht die Legierung.
In der bleifreien Elektronikfertigung gehört SAC305 zu den etablierten Legierungen. Je nach Anwendung können jedoch auch andere Legierungen sinnvoll oder technisch erforderlich sein – beispielsweise niedrigschmelzende Legierungen oder bleihaltige Systeme für spezielle High-Reliability-Anwendungen.
Bei der Auswahl sollten unter anderem berücksichtigt werden:
- erforderliche Prozesstemperatur
- Temperaturbeständigkeit der Bauteile
- mechanische Anforderungen an die Lötstelle
- thermische Belastung im späteren Einsatz
- bestehende Kunden- und Normanforderungen
- Kosten und Verfügbarkeit der Legierungsbestandteile
Die technisch beste Lösung muss daher nicht für jede Anwendung dieselbe Legierung sein.
2. Pulvergröße – Type 3, Type 4 oder Type 5?
Mit zunehmender Miniaturisierung steigen die Anforderungen an das Metallpulver einer Lötpaste.
Feinere Strukturen und kleinere Schablonenöffnungen erfordern entsprechend feinere Pulver.
Während Type-3-Pulver für viele klassische SMT-Anwendungen geeignet ist, werden für Fine-Pitch- und zunehmend auch für Miniaturbauteile Type 4 oder Type 5 eingesetzt.
Dabei gilt jedoch nicht automatisch: Je feiner das Pulver, desto besser.
Mit abnehmender Partikelgröße nimmt die spezifische Oberfläche des Metallpulvers zu. Dadurch steigt unter anderem die Empfindlichkeit gegenüber Oxidation. Gleichzeitig verändern sich die Anforderungen an Flussmittelchemie, Lagerung und Prozessführung.
Die Pulvergröße sollte deshalb passend zur kleinsten relevanten Schablonenöffnung gewählt werden – nicht kleiner als technisch notwendig.
3. Das Druckverhalten entscheidet über den Prozess
Ein erheblicher Teil der späteren Lötqualität wird bereits beim Schablonendruck bestimmt.
Die Lötpaste muss sich unter der Bewegung des Rakels gut verarbeiten lassen, die Schablonenöffnungen zuverlässig füllen und sich beim Abheben der Schablone kontrolliert lösen.
Anschließend muss das gedruckte Depot seine Form behalten.
Genau hier spielt die Rheologie der Lötpaste eine entscheidende Rolle.
Eine gute Lötpaste muss scheinbar widersprüchliche Eigenschaften miteinander verbinden: Unter Scherbelastung muss sie ausreichend fließfähig sein, nach dem Druck dagegen wieder stabil werden.
Bei der Bewertung einer Lötpaste sollten deshalb nicht nur einzelne Viskositätswerte betrachtet werden. Entscheidend ist das Verhalten im tatsächlichen Druckprozess.
4. Wie robust ist die Paste bei Produktionsunterbrechungen?
Laborbedingungen und Serienproduktion sind zwei unterschiedliche Welten.
In der realen Fertigung entstehen:
- Maschinenstopps
- Schichtwechsel
- Rüstvorgänge
- Wartungsunterbrechungen
- schwankende Umgebungsbedingungen
- unterschiedliche Produktionsgeschwindigkeiten
Eine für die Serienfertigung geeignete Lötpaste sollte deshalb nicht nur unmittelbar nach dem Auftragen auf die Schablone funktionieren.
Von besonderer Bedeutung sind eine ausreichende Schablonenstandzeit und ein stabiles Wiederanlaufverhalten nach Produktionsunterbrechungen.
Wenn nach jedem längeren Stillstand umfangreiche Reinigungs- oder Einstellarbeiten notwendig werden, kann eine auf dem Papier günstige Lötpaste im tatsächlichen Produktionsprozess schnell teuer werden.
Prozessstabilität ist deshalb auch ein wirtschaftlicher Faktor.
5. Reflow in Luft oder unter Stickstoff?
Auch die vorhandene Reflow-Anlage muss bei der Pastenauswahl berücksichtigt werden.
Stickstoff kann die Oxidation während des Lötprozesses reduzieren und bei anspruchsvollen Anwendungen Vorteile hinsichtlich Benetzung und Prozessfenster bieten.
Das bedeutet jedoch nicht, dass ein stabiler bleifreier Reflow-Prozess grundsätzlich Stickstoff benötigt.
Moderne Flussmittelsysteme können so ausgelegt werden, dass sie auch in Luft eine zuverlässige Aktivierung und Benetzung ermöglichen.
Für den Anwender stellt sich deshalb nicht nur die Frage:
„Welche Lötpaste funktioniert unter Stickstoff?“
Sondern vielmehr:
„Benötigt mein Prozess überhaupt Stickstoff?“
Kann mit einer geeigneten Lötpaste zuverlässig in Luft produziert werden, lassen sich Prozesskomplexität und Betriebskosten reduzieren.
Bei sehr anspruchsvollen Fine-Pitch-Anwendungen, stark oxidierten Oberflächen oder besonders engen Prozessfenstern kann Stickstoff dennoch sinnvoll sein.
Die Entscheidung sollte deshalb immer auf Basis der konkreten Anwendung getroffen werden.
6. Voiding und Benetzung nicht isoliert betrachten
Eine niedrige Void-Rate ist für viele Anwendungen ein wichtiges Auswahlkriterium – insbesondere bei Leistungselektronik, großen thermischen Pads oder Bauteilen mit hoher Wärmeabfuhr.
Voiding ist jedoch kein reines Materialthema.
Das Ergebnis entsteht aus dem Zusammenspiel von:
- Lötpaste
- Pastenvolumen
- Schablonendesign
- Pad-Geometrie
- Oberflächenzustand
- Reflow-Profil
- Bauteilgeometrie
- Prozessatmosphäre
Ähnliches gilt für das Benetzungsverhalten.
Deshalb sollte eine Lötpaste nicht ausschließlich anhand eines einzelnen Laborwertes ausgewählt werden. Entscheidend ist die Performance innerhalb des gesamten Prozesses.
Eine gute Lötpaste bietet dabei ein möglichst breites Prozessfenster und reagiert robust auf normale Schwankungen der Serienfertigung.
7. Die Gesamtkosten betrachten – nicht nur den Preis pro Kilogramm
Der Einkaufspreis einer Lötpaste ist leicht vergleichbar. Die tatsächlichen Prozesskosten sind es nicht.
Eine scheinbar preiswerte Paste kann erhebliche Folgekosten verursachen, wenn beispielsweise häufigere Schablonenreinigungen, Ausschuss, Nacharbeit oder zusätzliche Prozessschritte erforderlich werden.
Bei der wirtschaftlichen Bewertung sollten deshalb auch folgende Faktoren berücksichtigt werden:
- Ausschussrate
- Nacharbeit
- Schablonenreinigung
- Produktionsunterbrechungen
- Materialverbrauch
- erforderliche Stickstoffatmosphäre
- Prozessüberwachung
- technische Unterstützung bei Problemen
Bereits eine geringe Verbesserung der First-Pass-Yield-Rate kann bei hohen Stückzahlen wirtschaftlich wesentlich relevanter sein als ein Unterschied im Kilogrammpreis der Lötpaste.
Es gibt nicht die eine „beste“ Lötpaste
Die beste Lötpaste ist nicht zwangsläufig die Paste mit der feinsten Pulverklasse, der höchsten Aktivierung oder den beeindruckendsten Einzelwerten im Datenblatt.
Die richtige Lötpaste ist diejenige, die zum tatsächlichen Fertigungsprozess passt und dort reproduzierbare Ergebnisse liefert.
Deshalb sollte die Auswahl immer das gesamte System berücksichtigen:
Legierung + Pulvergröße + Flussmittelchemie + Druckprozess + Reflow-Profil + Baugruppendesign + Produktionsumgebung.
Prozessstabilität als Entwicklungsziel
Bei SOLDER CHEMISTRY steht deshalb nicht ein einzelner Laborwert im Mittelpunkt, sondern die Stabilität des gesamten SMT-Prozesses.
Ein Beispiel dafür ist unsere halogenfreie No-Clean-Lötpaste SC BLF09. Sie wurde für eine hohe Druckstabilität und zuverlässige Benetzung auch bei längeren Produktionsunterbrechungen entwickelt und kann in vielen Anwendungen im Reflow-Prozess ohne Stickstoff eingesetzt werden.
Gleichzeitig wissen wir: Keine SMT-Linie ist identisch.
Deshalb unterstützen unsere Anwendungstechniker Kunden nicht nur bei der Auswahl einer geeigneten Lötpaste, sondern auch bei der Abstimmung von Druckparametern, Schablonendesign und Reflow-Prozess.
