Bleifrei Löten - Die Fakten

Was ist Blei?
Blei ist ein in der Natur vorkommendes, bläulich-graues Metall, das in geringen Mengen in der Erdkruste zu finden ist. Blei kommt in vielen Bereichen unserer Umwelt vor. Ein Grossteil davon stammt aus menschlichen Tätigkeiten, etwa der Verbrennung fossiler Brennstoffe, dem Bergbau oder der Produktion. Blei wird vielseitig verwendet. Es kommt bei der Herstellung von Batterien, Munition, Metallprodukten (Lötmetall und Rohre) sowie Röntgenschutzvorrichtungen zum Einsatz. Aus Gründen des Gesundheits- und Umweltschutzes wurde die Verwendung von Blei in Kraftstoffen, Farben und Lacken, keramischen Produkten, Dichtungen und zum Schweissen von Rohrleitungen in den letzten Jahren erheblich reduziert.

Warum nun ein Verbot für Blei?
Blei ist ein wesentlicher Bestandteil des Lötmetalls, das bei der Herstellung von Leiterplatten verbraucht wird. Leiterplatten werden in immer mehr alltäglichen Haushaltsgeräten von Toastern bis hin zu DVD-Playern verwendet und enden in zunehmendem Masse auf Mülldeponien in aller Welt. Das Problem dabei ist, dass durch den Säuregehalt des Regenwassers das bleihaltige Lötmetall aus diesen zerstörten Leiterplatten herausgewaschen wird. So gelangt das Blei ins Grundwasser und schliesslich auch ins Trinkwasser. Blei kann praktisch jedes Organ und System des Körpers schädigen. Besonders anfällig ist das zentrale Nervensystem, vor allem bei Kindern. Ferner schädigt Blei die Nieren und die Fortpflanzungsorgane. Die Wirkung von Blei ist stets dieselbe, unabhängig davon, ob es eingeatmet oder verschluckt wird. In hohen Konzentrationen kann Blei die Reaktionsfähigkeit beeinträchtigen, die Finger, Hand- und Fussgelenke schwächen und die Merkfähigkeit verringern. Blei kann zu Anämie, einer Bluterkrankung, führen. Der Zusammenhang zwischen diesen Wirkungen und der Exposition gegenüber geringeren Bleikonzentrationen ist noch ungeklärt.

Blei in der Industrie
Zwar zielt die RoHS-Richtlinie der EU direkt auch auf die Elektronikindustrie ab, allerdings wird nur ein geringer Teil des industriell verbrauchten Bleis für die Produktion von Elektro- und Elektronikgeräten verwendet. Im Vergleich zur Herstellung von Akkumulatorenbatterien, für die 80% des produzierten Bleis verbraucht werden, macht die Verwendung von Blei in Lötmetallen für Leiterplatten nur 0,49% aus bzw. der Gesamtverbrauch für Elektro- und Elektronikgeräte nur rund 2%.

Blei - Die Alternativen
Der Ausschluss von Blei aus dem Produktionsprozess für Leiterplatten ist für Hersteller eine Herausforderung. Die Verwendung von Elementen wie Silber, Kupfer und Wismut anstelle von Blei in Lötmetallen birgt eine Reihe von Problemen:

Zwar gibt es eine ganze Reihe von verfügbaren Alternativen, um Blei aus dem Lötprozess zu verbannen, doch die einzige realistische, gangbare Alternative zu Blei (Pb) in Lötmetall ist Zinn (Sn). Im Allgemeinen enthalten moderne Lötmetalle hohe Mengen von Zinn sowie eine Vielzahl von Werkstoffen, die elementare Ähnlichkeiten mit Blei aufweisen.

Bleifreies Löten
Löten ohne Blei wird in der EU in Kürze obligatorisch. Das Gesetz ist zum 1. Juli 2006 in Kraft getreten. Die bleifreie Produktion im Elektronikbereich ist in Japan bereits ein allgemein anerkannter und angewandter Prozess und wird nun auch weltweit zügig implementiert. Es gibt einige wichtige Aspekte im Zusammenhang mit der Umstellung auf den bleifreien Prozess:

Kompatibilität
Zunächst einmal müssen alle gelöteten Oberflächen bleifrei sein. Das gilt sowohl für die Komponente als auch für die Leiterplatte. Jegliche Verunreinigung einer bleifreien Lötverbindung mit Blei mindert die Zuverlässigkeit der Verbindung in erheblichem Masse.

Temperatur
Alle bleifreien Legierungen schmelzen erst bei höheren Temperaturen als herkömmliche Zinn-Blei-Legierungen (60/40 Zinn-Blei schmilzt bei rund 180°C, bleifreie Legierungen dagegen erst ab 227°C). Folglich müssen sowohl die Komponenten als auch die Leiterplatten eine entsprechende Temperaturfestigkeit besitzen, um auch diesen höheren Temperaturen standzuhalten. Die höheren Temperaturen stellen ferner höhere Ansprüche an das Flussmittel und es kann ein höherer Feststoffgehalt erforderlich werden oder ein aktiveres Flussmittel, wenn das Löten bei Verwendung bleifreier Materialien schwierig wird.

Inspektion
Bleifreie Lötstellen sehen deutlich anders aus als herkömmliche Zinn-Blei-Lötstellen. Sie sind in der Regel recht matt und der Verlauf ist geringer, was zu steilen Kontaktwinkeln an den Rändern der Lötstellen - dort, wo das Lot auf das Substrat trifft - führt. Das bedeutet ber nicht, dass die Lötstelle fehlerhaft ist!

Nacharbeiten und Reparaturen
Es ist überaus wichtig, dass bei einer eventuellen Nachbearbeitung oder Reparatur ebenfalls ein bleifreies Lötmetall verwendet wird. Das bedeutet, dass vor einer Nachbearbeitung erst geklärt werden muss, welches Lötmetall verwendet wurde. In der Regel ist dies auf einem Modul oder einer Leiterplatte eindeutig angegeben. Welche Legierungen beim bleifreien Löten zum Einsatz kommen, kann je nach Anwendungsgebiet variieren. Um sicherzugehen, sollte die Legierung 99C (99,7% Zinn, 0,3% Kupfer) bei allen bleifreien manuellen Lötarbeiten verwendet werden, da sie mit allen möglichen bleifreien Legierungen kompatibel ist. Eine Spur Silber wird einigen bleifreien Lötpasten zugesetzt, um die Benetzung und die Bildung einer Lötstelle während der Phase des schnellen Aufschmelzens bei typischen SMT-Bestückungsprozessen zu unterstützen, doch auch bei diesen Lötstellen ist die Verwendung von 99C bei Nachbearbeitungen recht sicher.