Lötoberflächen für Leiterplatten, Teil 4: HAL bleifrei

Bei der Lötoberfläche „HAL bleifrei“ (hot air levelling lead-free), Heißluftverzinnung oder HASL (Hot Air Solder Leveling) wird eine Schicht aus flüssigem Zinn auf die freiliegenden Kupferflächen aufgetragen. Die Leiterplatten werden zunächst mit Flussmittel besprüht und dann in einem vertikalen Lotbad getaucht. Beim Herausziehen der Leiterplatten aus dem Lotbad wird überschüssiges Lot mit heißer Luft abgeblasen. Danach werden die Leiterplatten in einer horizontalen Prozesstrecke abgekühlt.

Was spricht für „HAL bleifrei“?

„HAL bleifrei“ ist die RoHS-konforme (2011/65/EU) Weiterentwicklung der Heißluftverzinnung mit Zinn-Blei-Lot, die bereits in den 1960er Jahren in der Leiterplattenfertigung verwendet wurde. Für „HAL bleifrei“ verwendet KSG ein Stangenlot aus einer Legierung mit 99,7 % Zinn und 0,3 % Silber mit einem Schmelzpunkt von 217 bis 227 °C. Die Verzinnungstemperatur ist gemäß UL mit 270 °C festgeschrieben. Aus löttechnischer Sicht bietet die Heißluftverzinnung die beste Lötbarkeit unter allen Oberflächen. Zinn und Kupfer der Anschlussflächen bilden eine intermetallische Verbindungszone (IMC). Bei sachgemäßer Lagerung gibt der Leiterplattenhersteller 12 Monate Gewährleistung auf die Lötbarkeit.

Kurzinfo „HAL bleifrei“

Legierung: 99,7 % Zinn | 0,3 % Silber
Schmelzpunkt: 217-227 °C
Verzinnungstemperatur gemäß UL: 270 °C

Prozessbedingt unregelmäßige Dicke der Zinnschicht

Charakteristisch für heißluftverzinnte Lötanschlüsse sind relativ große Schwankungen der Schichtdicke bzw. keine Planarität der Oberfläche. Der Grund ist die physikalisch bedingte Lotmeniskusausbildung (siehe Bild) durch das Abblasen des überschüssigen Lotes. Daher eignet sich diese Oberfläche nicht für Fine-Pitch-SMT-Bauteile.

Die Benetzung von Lötpads wird nach J-STD-003 bewertet. Die Dicke der Zinnschicht wird definiert von „bedeckt“ mit ca. 1 µm am Locheingang bei THT-Anschlüssen bis ≤ 40 µm in der Pad-Mitte. Die Schichtdicken lassen sich zerstörend mittels Schliff  als auch zerstörungsfrei mittels Röntgenfloreszenz bestimmen. Beim „HAL bleifrei“-Prozess wird das Basismaterial der Leiterplatte aufgrund des großen, relativen Temperaturhubs (von Raumtemperatur auf 270 °C) von bleifreiem Lot thermisch stark beansprucht. Daher wird HAL bleifrei für Standard Tg-FR4-Basismaterialien nicht empfohlen.

Weitere Vorteile von „HAL bleifrei“

HAL bleifrei lässt sich mit galvanisch Nickel-Gold für Steckerkontakte kombinieren. Die Heißluftverzinnung eignet sich für Einpresstechnik. Ungeeignet ist die Oberfläche für jegliche Drahtbondprozesse. Gegenüber dem unempfindlichen ENIG und dem empfindlichen chemisch Zinn siedelt sich HAL bleifrei in der Mitte an. Das heißt konkret: die Oberfläche ist recht unempfindlich gegenüber thermischen Prozessen, die nach dem Auftragen der Lötoberfläche folgen, z.B. das Aushärten von Lacken oder Trocknungsprozesse der Leiterplatte vor der Bauteilemontage. Im direkten Vergleich der Prozesskosten ist die bleifreie Heißluftverzinnung preisgünstiger als die Lötoberflächen chemisch Nickel-Gold und chemisch Zinn. Die Heißluftverzinnung hat einen Anteil von rd. 20 % aller verwendeten Lötoberflächen in Europa; tendenziell ist dieser Anteil fallend.

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