Schmelzpunkt von Lötmitteln: Legierungstemperaturleitfaden

Das Schmelzpunkt des Lötmittels Es hängt vollständig von seiner Legierung ab. Eutektisches Zinn-Blei-Lot (Sn63/Pb37) schmilzt bei einem einzigen, scharfen Punkt. 183 ° C (361 ° F)Die gebräuchlichste bleifreie Legierung, SAC305, schmilzt hingegen in einem Bereich von etwa 217–220 °C (423–428 °F)Die Schmelztemperaturen der verschiedenen Lötlegierungen reichen von etwa 138 °C für niedrigschmelzendes Zinn-Bismut bis hin zu 300 °C und mehr für bleihaltige Lötmittel. Dieser Leitfaden liefert die genauen Werte für jede Legierung, erklärt den Unterschied zwischen Schmelzpunkt und Schmelzbereich und zeigt, warum diese wenigen Grad über die Qualität einer Leiterplattenverbindung entscheiden.

Was ist der Schmelzpunkt von Lötzinn?

Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der eine Lötlegierung vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, sodass sie Metalloberflächen benetzen und eine Verbindung herstellen kann. Die Schwierigkeit besteht darin, dass nur Eutektikum Legierungen besitzen einen einzigen, echten Schmelzpunkt. Ein eutektisches Gemisch – Sn63/Pb37 ist das klassische Beispiel – schmilzt und erstarrt bei einer exakten Temperatur, ohne dazwischenliegenden, breiigen Zustand. Dieser scharfe Übergang ist der Grund, warum eutektisches Lot saubere Verbindungen erzeugt und sich gut verarbeiten lässt.

Die meisten nicht-eutektischen Legierungen schmelzen stattdessen an einer Angebot begrenzt durch zwei Temperaturen:

• Solide — die Temperatur, bei der die Legierung beginnt zum Schmelzen. Darunter ist es vollständig fest.
• Flüssigkeit — die Temperatur, bei der die Legierung voll Flüssigkeit. Darüber fließt sie frei.

Zwischen Solidus und Liquidus ist das Lot teils fest, teils flüssig – ein zähflüssiger, „pastenartiger“ oder „plastischer“ Bereich. Lötstellen, die in diesem Bereich gestört werden, neigen zu körnigen und schwachen Lötstellen (eine klassische Ursache für fehlerhafte oder kalte Lötstellen). Dies ist einer der Gründe, warum eutektische Legierungen ohne plastischen Bereich für das Handlöten bevorzugt werden.

Schmelzpunkt von bleihaltigem (Zinn-Blei-)Lot

Zinn-Blei (SnPb)-Lot dominierte jahrzehntelang die Elektronikindustrie und wird noch immer in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie und der Medizintechnik eingesetzt, wo seine Zuverlässigkeit und die Abwesenheit von Zinnwhiskern von Bedeutung sind. Sein Schmelzverhalten hängt vom Zinn-Blei-Verhältnis ab, und alle SnPb-Legierungen weisen dieselbe Solidustemperatur (die eutektische Temperatur) von 183 °C auf:

Die praktische Schlussfolgerung ist, dass Sn63/Pb37 die Legierung der Wahl ist, wenn man möglichst saubere Verbindungen wünscht, da sie den pastösen Bereich überspringt, den die anderen Mischungsverhältnisse durchlaufen.

Schmelzpunkt von bleifreiem Lötzinn

RoHS und ähnliche Richtlinien haben die meisten kommerziellen Elektronikprodukte dazu veranlasst, bleifreies Lötzinn zu verwenden, das hauptsächlich auf Zinn mit Zusätzen von Silber, Kupfer und manchmal Wismut oder Nickel basiert. Bleifreie Legierungen schmelzen 30–45 °C heißer als Zinn-Blei, was die wichtigste praktische Folge dieser Umstellung ist – es erhöht die Spitzentemperaturen beim Reflow-Löten und die thermische Belastung von Platinen und Bauteilen.

SAC305 ist die Legierung, auf der die meisten bleifreien Leiterplattenbestückungen basieren. Es gibt silberärmere und dotierte Varianten, um die Kosten zu senken oder die Stoß- und Temperaturwechselbeständigkeit zu verbessern, aber ihre Schmelzpunkte bleiben nahe dem Bereich von 217 °C für SAC.

Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturlote

Neben den gängigen Legierungen befinden sich zwei Spezialgruppen an den Extremen der Temperaturskala.

Niedertemperaturlötmittel

Zinn-Bismut (Sn42/Bi58) schmilzt bei nur 138 ° C (281 ° F) und Indiumzinn (In52/Sn48) um etwa 118 ° C (244 ° F)Diese Lötverfahren kommen zum Einsatz, wenn Bauteile oder Substrate die normale Reflow-Wärme nicht vertragen – beispielsweise wärmeempfindliche LEDs, bestimmte Sensoren, flexible Substrate und Stufenlötverfahren, bei denen eine zweite Lötstelle hergestellt werden muss, ohne die erste erneut aufzuschmelzen. Der Nachteil besteht darin, dass Wismutlegierungen tendenziell spröder sind.

Hochtemperaturlötmittel

Hochbleihaltige Legierungen wie Sn10/Pb88/Ag2 Zinn (ca. 268–290 °C) und Sn5/Pb95 (ca. 308–312 °C) bleiben bei Temperaturen fest, bei denen herkömmliches Lötzinn schmelzen würde. Sie werden in der Chipmontage von Leistungshalbleitern, in der Bohrlochelektronik der Öl- und Gasindustrie und in anderen heißen Umgebungen eingesetzt. Zum Vergleich: Reines Zinn schmilzt bei 232 °C und reines Blei bei 327 °C.

Vergleichstabelle der Schmelzpunkte von Lötmitteln

Diese Übersichtstabelle stellt die gängigen Legierungen nebeneinander, vom niedrigsten zum höchsten Schmelzpunkt.

Schmelzpunkt vs. Löt- und Reflow-Temperatur

Ein häufiger Irrtum besteht darin, den Schmelzpunkt mit der Temperatur am Lötkolben oder Backofen gleichzusetzen. Das ist nicht der Fall. Der Schmelzpunkt gibt an, wann das Lötzinn flüssig wird; um die Lötpads richtig zu benetzen und einen optimalen Fluss zu gewährleisten, muss man jedoch einen anderen Weg gehen. oben der Liquidus.

• Lötspitzentemperatur Die Temperatur wird deutlich über dem Schmelzpunkt eingestellt, um die Wärme schnell in die Verbindung einzubringen, bevor die Spitze abkühlt. Typische Einstellungen sind etwa 315–370 °C (600–700 °F) für bleihaltiges Lot und 350–400 °C (660–750 °F) für bleifreies Material, angepasst an die Spitzengröße und die Masse des Gelenks.
• Reflow-Spitzentemperatur liegt etwa 20–40 °C über der Liquidustemperatur der Legierung. Für SAC305 (Liquidustemperatur ~220 °C) ist ein typischer Peak: 235–250 °C; für bleihaltiges Sn63/Pb37 ein Peak um 210–225 °C ist normal.

Die Differenz zwischen Schmelzpunkt und Arbeitstemperatur ist bewusst gewählt: Ist der Spielraum zu gering, fließt das Lot kaum (kalte Lötstellen, schlechte Benetzung); ist er zu groß, besteht die Gefahr, dass sich Lötpads ablösen, wärmeempfindliche Bauteile beschädigt werden oder die Glasübergangstemperatur der Platine überschritten wird.

Warum der Schmelzpunkt von Lötmitteln bei der Leiterplattenbestückung wichtig ist

In der Produktion ist der Schmelzpunkt die Kennzahl, auf der alle thermischen Prozesse basieren. Liegt er falsch, leidet die Ausbeute. Besonders wichtig ist er in folgenden Bereichen:

• Reflow-Profiling. Das Vier-Zonen-Reflow-Profil (Vorheizen, Halten, Reflow, Abkühlen) wird anhand des Solidus- und Liquiduspunktes der Pastenlegierung festgelegt. Der Schmelzpunkt muss den Liquiduspunkt deutlich überschreiten, ohne die Bauteile zu überhitzen – daher unterscheidet sich ein für SAC305 optimiertes Profil von einem für bleihaltige Prozesse.
• Plattenmaterial (Tg). Die höheren Temperaturen bleifreier Materialien rücken näher an die Glasübergangstemperatur eines Laminats heran, daher ist eine hohe Glasübergangstemperatur von Vorteil. FR-4 wird häufig für bleifreie Konstruktionen vorgeschrieben, um Delamination und Verformung zu vermeiden.
• Gemischte Legierungen. Das Einbringen von bleihaltigen Kugeln in ein bleifreies Profil (oder umgekehrt) führt zu unzuverlässigen Verbindungen. Die Legierungsverträglichkeit muss in der gesamten Stückliste kontrolliert werden, insbesondere bei BGAs.
• Lötpaste und Schablonen. Die Paste wird auf die Legierung abgestimmt, und das richtige Auftragsvolumen wird aus einem lasergeschnittene Schablone stellt sicher, dass die Verbindung nach dem Abbrennen des Flussmittels noch genügend Metall aufweist.
• Optionen für niedrige Temperaturen. Wenn eine Platine Bauteile enthält, die eine Temperaturspitze von 245 °C nicht überstehen, wird stattdessen eine Niedertemperaturlegierung oder ein selektives Verfahren gewählt.

Highleap-ElektronikEin in China ansässiger Hersteller von Leiterplatten und bestückten Leiterplatten (PCBA) verwendet sowohl bleihaltige als auch bleifreie Reflow-Prozesse mit auf die Pastenlegierung und die thermische Masse der Leiterplatte abgestimmten Reflow-Profilen. Dies wird mittels AOI und Röntgenanalyse an Flächenarray-Bauteilen verifiziert. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Legierung oder Oberflächenbehandlung für Ihr Design geeignet ist, DFM-Test Beinhaltet Lötlegierung, Oberflächenbeschaffenheit und thermische Aspekte vor der Leiterplattenfertigung – Teil des Standards schlüsselfertige Leiterplattenbestückung und SMT Arbeit.

Häufig gestellte Fragen zum Schmelzpunkt von Lötmitteln

Wie hoch ist der Schmelzpunkt von Lötzinn in Celsius und Fahrenheit?

Das hängt von der Legierung ab. Das gebräuchlichste bleihaltige Lot, Sn63/Pb37, schmilzt bei 183 °C. Das gebräuchlichste bleifreie Lot, SAC305, schmilzt bei etwa 217–220 °C.

Was ist der Schmelzpunkt von bleifreiem Lötzinn?

Die meisten bleifreien Elektroniklote schmelzen zwischen etwa 217 °C und 227 °C. SAC305 liegt bei 217–220 °C, eutektisches Zinn-Silber bei 221 °C und Zinn-Kupfer (Sn99.3/Cu0.7) bei 227 °C – also etwa 30–45 °C heißer als Zinn-Blei-Lot.

Warum hat eutektisches Lot einen einzigen Schmelzpunkt?

Eine eutektische Legierung wie Sn63/Pb37 ist eine Legierung mit einer spezifischen Zusammensetzung, die bei einer exakten Temperatur schmilzt und erstarrt, ohne dazwischenliegenden pastösen Bereich. Dieser scharfe Übergang sorgt für saubere Lötstellen und erleichtert das manuelle Löten.

Auf welche Temperatur sollte ich meinen Lötkolben einstellen?

Die Löttemperatur sollte oberhalb des Schmelzpunktes liegen, damit die Wärme schnell abgeleitet wird: etwa 315–370 °C für bleihaltiges und 350–400 °C für bleifreies Lot, abhängig von der Lötspitzengröße und der Masse der Lötstelle. Der angegebene Wert ist die Betriebstemperatur, nicht der Schmelzpunkt selbst.

Ist die Löttemperatur gleich dem Schmelzpunkt?

Nein. Der Schmelzpunkt ist der Punkt, an dem das Lot flüssig wird; die Löt- oder Reflow-Temperatur wird darüber eingestellt. Reflow-Temperaturen liegen typischerweise 20–40 °C über dem Liquiduspunkt der Legierung, damit das Lot eine optimale Benetzung gewährleistet.

Kann ich bleihaltiges und bleifreies Lötzinn mischen?

Dies sollte möglichst vermieden werden. Das Mischen von Legierungen – beispielsweise das Durchführen bleifreier BGA-Kugeln durch ein bleihaltiges Profil – führt zu intermetallischen Phasen und unterschiedlichen Schmelzpunkten, was unzuverlässige Verbindungen zur Folge hat. In der Produktion wird die Legierungsverträglichkeit während der gesamten Baugruppe kontrolliert.

Welches ist das Lötzinn mit dem niedrigsten Schmelzpunkt?

Unter den gängigen Legierungen schmilzt Indium-Zinn (In52/Sn48) bei etwa 118 °C und Zinn-Bismut (Sn42/Bi58) bei 138 °C. Diese Niedrigtemperatur-Lote werden für wärmeempfindliche Bauteile und Stufenlötverfahren verwendet, obwohl Wismutlegierungen spröder sind.