Kontrolle der Lötqualität durch Messung der Restzinn-Schichtdicke auf Leiterplatten

Aufgrund des Verbotes von Blei und anderen Schwermetallen durch die EU-Richtlinien EU2002/95/EC und EU2002/96/EC müssen auf Leiterplatten lötbare, jedoch bleifreie Schichtsysteme eingesetzt werden. Bleifreies, chemisch abgeschiedenes Zinn birgt die Gefahr, dass durch Diffusionsprozesse die Restdicke der nutzbaren Reinzinnschicht so gering wird, dass die Qualität von Lötprozessen und Lötverbindungen beeinträchtigt werden kann. Deshalb muss die Restzinn-Schichtdicke vor dem Lötvorgang überprüft werden.

Sofort nach dem Abscheiden der Zinnschicht setzt die Diffusion des Kupfers in die Zinnschicht ein. Es bilden sich Zonen aus intermetallischen Verbindungen, die auf Kosten der restlichen Zinnmenge in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit wachsen. Durch den „Verbrauch“ an Zinn reduziert sich die Reinzinndicke so stark, dass nicht mehr genügend Zinn für einwandfreie Lötverbindungen zur Verfügung steht. Dabei wird der Schwund an Reinzinn durch die Wärmeeinbringung der Lötprozesse zusätzlich verstärkt. Für einwandfreie Lötungen werden mindestens 0,3 μm Reinzinn vor dem letzten Lötvorgang benötigt. Die anfängliche Schichtdicke von frisch chemisch abgeschiedenem Zinn beträgt typischerweise 1-1,4 µm.

Abb. 1: COULOSCOPE® CMS2

Mit dem coulometrischen Verfahren (DIN EN ISO 2177) kann die tatsächlich vorhandene Reinzinn-Schichtdicke zur Sicherstellung der Lötbarkeit präzise gemessen.

Um das Problem der Diffusion messtechnisch zu veranschaulichen, wurden Leiterplatten, die mit ca. 0,5 μm und 1 μm chemisch Zinn auf Kupfer beschichtet waren, getempert und nach jeder Wärmebehandlung mit dem COULOSCOPE® CMS gemessen. Die Kupferschichtdicke unter der Zinnschicht hatte keinen Einfluss auf die Dicke der Restzinnschicht.

Ausgangs- Sn-Schicht

 

Temperzeit [h]

0

2

4

6

ca. 0,5 µm

Mittelwert

0,52

0,12

0,04

(*)

Standard-
abweichung

0,004

0,004

0,003

(*)

ca. 1,0 µm

Mittelwert

1,01

0,60

0,50

0,43

Standard-
abweichung

0,01

0,01

0,01

0,01

Tab.1: Mittelwert aus 9 (0 h Temperzeit) bzw. 3 Messreihen (2, 4, 6 h Temperzeit) in µm; (*) nicht messbar, da Restzinnschicht zu dünn

Abb. 2: Sprung des Ablösepotenzials zwischen Reinzinnschicht und SnCu-Diffusionsschicht

Bei der coulometrischen Messung ist die Abnahme der Reinzinn-Schichtdicke klar zu sehen. Die Messreihen der Proben mit 0,5 μm Anfangsschichtdicke zeigen eindeutig, dass schon nach 2 Stunden Tempern zu wenig Restzinn für eine gute Lötqualität verbleibt.

Zur Überprüfung der Lötbarkeit von Zinnschichten auf Leiterplatten kann die Restzinn-Schichtdicke ohne Beeinflussung durch die SnCu-Legierungsschicht mit dem COULOSCOPE® CMS gemessen werden. Für mehr Informationen steht Ihnen Ihr Fischer-Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

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