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Abstrakt 

In den letzten Jahren hat sich Wismut als vorteilhaftes Legierungselement in Lötmitteln herauskristallisiert und dient zwei wichtigen Anwendungen. Erstens wird Wismut in vielen Niedrigtemperaturloten verwendet, die temperaturempfindliche Baugruppen unterstützen, und zweitens erweisen sich kleine Wismutbeimengungen in hochzuverlässigen Loten als wertvoll, um die Haltbarkeit der Verbindungen zu erhöhen, die Benetzungseigenschaften zu optimieren und Lunker zu minimieren.   

Wismut: Eigenschaften und Vergleich mit anderen Lötmetallen

Bismut (Bi) ist ein sprödes, kristallines und relativ dichtes Metall mit einem silber-rosa Farbton. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es in Verbindung mit anderen Metallen wie Zinn aufgrund eutektischer Wechselwirkungen einen niedrigeren Gesamtschmelzpunkt hat. Während sein elementarer Schmelzpunkt bei 271 °C liegt, verflüssigen sich Legierungen auf Bismutbasis unter 200 °C. 

Im Vergleich zu anderen Metallen, die beim Löten verwendet werden, zeichnet sich Wismut auch durch seine geringere Toxizität aus. Es ist eine relativ sichere Alternative zu Blei, das in vielen Anwendungen aufgrund von Umwelt- und Gesundheitsbedenken schrittweise aus dem Verkehr gezogen wurde.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal von Wismut ist seine Tendenz, sich beim Erstarren auszudehnen, eine Eigenschaft, die es mit H2O (Wasser/Eis), aber nur mit wenigen anderen Metallen teilt. 

Die im Vergleich zu Zinn und Silber geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Wismut kann bei bestimmten Anwendungen ein Problem darstellen, insbesondere bei solchen, bei denen Wärmeableitung oder optimale Leitfähigkeit von größter Bedeutung sind. Tabelle 1 zeigt, wie Wismut im Vergleich zu vielen gängigen Lotlegierungselementen in Bezug auf die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie den Schmelzpunkt und die Dichte abschneidet.

Tabelle 1. Ein Vergleich der physikalischen Eigenschaften gängiger Lotelemente. [1] 

Bei den bleifreien Lötlegierungen der ersten Generation wurde Wismut aus gutem Grund vermieden. Wenn Bismut mit Blei in Berührung kommt, bildet es eine niedrigschmelzende eutektische Phase, die spröde werden kann und unter Belastung zu Brüchen oder zum Versagen der Verbindung führt. Dieses Problem ist vor allem in der Elektronik von Bedeutung, die noch mit Bleiverunreinigungen aus früheren Prozessen konfrontiert sein kann, da selbst Spuren von Blei die Bildung dieser instabilen Verbindungen auslösen können. 

Mit der nahezu vollständigen Eliminierung von Blei bei der Leiterplattenbestückung begannen spätere Generationen von bleifreien Loten, Wismut aufgrund seiner wertvollen Eigenschaften zu verwenden.

Zinn-Wismut-Legierungen (SnBi) werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die niedrigere Verarbeitungstemperaturen erfordern als die für herkömmliche bleifreie Lote wie SAC305. Mit einem Schmelzpunkt von nur 138°C reduzieren SnBi-Legierungen die thermische Belastung während des Lötens, was sie ideal für empfindliche Elektronik, flexible Substrate und Anwendungen macht, bei denen eine längere Hitzeeinwirkung zur Beschädigung von Komponenten oder Substraten führen könnte.

Neben dem Schutz empfindlicher Bauteile bietet die Verwendung von Wismut in Niedertemperaturloten auch wirtschaftliche und ökologische Vorteile. Lötverfahren mit niedrigeren Temperaturen verbrauchen weniger Energie, was die Betriebskosten senken und die Umweltauswirkungen der Herstellung verringern kann. Darüber hinaus verringert die minimale thermische Belastung die Wahrscheinlichkeit von Verzug in Leiterplatten und anderen Substraten. 

Trotz dieser Vorteile stellen Niedrigtemperaturlote auf Wismutbasis auch gewisse Herausforderungen dar. Die Sprödigkeit von Wismut kann die mechanische Festigkeit von Lötstellen einschränken, was sie anfälliger für Risse unter mechanischer Belastung macht. Das Risiko der Brüchigkeit von Lötstellen ist bei Anwendungen, die raschen Temperaturschwankungen oder mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, besonders bedenklich, da es zu einem vorzeitigen Versagen der Lötstellen führen kann.

Da die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Wismut geringer ist als die von Zinn, Kupfer und Silber, ist es möglicherweise auch nicht gut geeignet für Anwendungen, die eine effiziente Wärmeableitung oder hohe elektrische Leistung erfordern. 

Kleinprozentige Wismutzusätze in hochzuverlässigen Lötlegierungen

Die Rolle von Wismut in Lötlegierungen ist etwas paradox: Wenn es ein Hauptbestandteil in Niedrigtemperaturloten ist, trägt es bekanntermaßen zur Sprödigkeit bei, doch diese Bedenken gelten nicht, wenn es als kleiner Zusatz in Lötmitteln mit hoher Zuverlässigkeit verwendet wird.

In geringen Prozentsätzen, typischerweise um 1-6%, verbessert Wismut die Lötleistung eher, als dass es sie beeinträchtigt[2]. Bei diesen geringen Konzentrationen führt Wismut nicht zu den spröden intermetallischen Verbindungen, die mit höheren Wismutgehalten verbunden sind; stattdessen verfeinert es die Mikrostruktur der Legierung und verbessert Eigenschaften wie Festigkeit, thermische Stabilität und sogar Ermüdungsfestigkeit. 

Abbildung 1 zeigt einen Vergleich der Kornstruktur zwischen SAC305 und zwei wismuthaltigen Legierungen: REL61, eine Legierung mit niedrigem Silbergehalt, die als Ersatz für SAC305 entwickelt wurde, und REL22, eine Legierung auf SAC-Basis mit hoher Zuverlässigkeit. Beim ersten Guss weisen alle drei Legierungen eine ähnliche Kornstruktur auf. Nach einer 24-stündigen Alterung bei 150 °C weist SAC305 jedoch ein instabiles Gefüge auf, während die beiden wismuthaltigen Legierungen unzerstört bleiben.

Der Vorteil des niedrigen Schmelzpunkts von Wismut kommt auch zum Tragen, wenn es in geringen Konzentrationen zugesetzt wird, da es die Gesamtschmelztemperatur der Legierung leicht absenkt und so die thermische Belastung der Bauteile beim Löten verringert. 

Wismuthaltige SAC-Basislegierungen sind heute in Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit weit verbreitet, z. B. in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Industrieelektronik, wo die Robustheit der Lötstellen von größter Bedeutung ist. Bei diesen Anwendungen können die spezifischen Vorteile, die durch geringe Wismutzusätze erzielt werden, zu einer verbesserten Integrität und Konsistenz der Verbindungen führen, was für Bauteile, die längeren Betriebsbelastungen oder anspruchsvollen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, von entscheidender Bedeutung ist.

Festigkeit und Härte

SGroße Mengen Wismut können die Härte von Lötstellen verbessern und zu einer erhöhten Beständigkeit gegen mechanische Verformung und Temperaturwechsel beitragen. Bismut bildet intermetallische Verbindungen mit Zinn, die zu einer feineren Kornstruktur beitragen und die Festigkeit und Härte der Legierung erhöhen. Während SAC305 eine HV10-Härte von 14 aufweist, haben die wismuthaltigen Legierungen REL61 und REL22 eine Härte von 26 bzw. 29.  

Benetzbarkeit und Füllung der Fässer

Wismut verbessert die Benetzbarkeit, so dass sich geschmolzenes Lot besser auf Metalloberflächen ausbreiten und binden kann.[3] Diese verbesserte Fließfähigkeit fördert eine bessere Zylinderfüllung in durchkontaktierten Bauteilen, da die geschmolzene Legierung leichter in enge Räume fließt. Abbildung 2 zeigt, wie die Benetzungswinkel von zwei wismuthaltigen Legierungen im Vergleich zu SAC305 und SN100C aussehen. Kleinere Kontaktwinkel weisen auf eine bessere Benetzung hin. 

Geschmeidigkeit der Gelenke

In einer SAC-Legierung trägt zusätzliches Wismut zu glatteren Lötstellen mit mattem Finish bei. Diese Eigenschaft verbessert die Ausbeute der automatischen optischen Inspektion (AOI), da glattere und gleichmäßigere Lötstellen leichter zu inspizieren sind und weniger wahrscheinlich zu falschen Fehlererkennungen führen als bei SAC305. Abbildung 3 zeigt Bilder, die von einer High-End-AOI-Maschine aufgenommen wurden und den deutlichen Unterschied zwischen SAC305 und wismuthaltigem REL61 verdeutlichen. 

Verringerung der Blasenentleerung 

Es hat sich gezeigt, dass die Zugabe von Wismut zum Lot die Bildung von Lunkern verringert. Eine geringere Lunkerbildung führt zu einer verbesserten strukturellen Integrität und elektrischen Zuverlässigkeit, da die Wahrscheinlichkeit von Schwachstellen, die unter thermischer oder mechanischer Belastung versagen könnten, sinkt[4]. 

Tin Whisker Mitigation 

Zinnwhisker sind Auswüchse von Zinn aus einer Legierung, die unter verschiedenen Bedingungen, wie z. B. Gelenkbelastung oder Biegen, auftreten können. Diese Whisker sind in der Elektronik problematisch, da sie zu Kurzschlüssen führen können. Es wurde beobachtet, dass wismuthaltige Legierungen das Wachstum dieser Whisker zu vermindern scheinen. Der Grund dafür ist nicht ganz klar, aber Abbildung 4. zeigt den deutlichen Unterschied zwischen dem Wachstum von Zinnwhiskern in SAC305 im Vergleich zu wismuthaltigen REL61. 

Wismut spielt in der modernen Löttechnik eine vielseitige Rolle und bietet Vorteile, die sowohl den Anforderungen an die Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen als auch an die hohe Zuverlässigkeit gerecht werden. Aufgrund seiner besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften eignet es sich hervorragend für Anwendungen, die eine geringere thermische Belastung und eine höhere Zuverlässigkeit der Verbindungen erfordern. 

Wismut hat zwar den Ruf, ein sprödes Metall zu sein, was insbesondere bei Lötanwendungen bei niedrigen Temperaturen zu Bedenken führen kann, doch wenn es in kleinen Mengen in hochzuverlässigen Lötlegierungen verwendet wird, werden diese Nachteile weitgehend beseitigt, so dass die vorteilhaften Eigenschaften von Wismut in den Vordergrund treten können. In Spuren verbessert Wismut die Mikrostruktur der Legierung und trägt zu einer verbesserten Festigkeit, Stabilität und einem etwas niedrigeren Schmelzpunkt bei - alles bei gleichzeitiger potenzieller Verbesserung der Zuverlässigkeit der Verbindungen. 

[1] Die Engineering Toolbox. (n.d.). Der Werkzeugkasten für Ingenieure. Abgerufen am 19. November 2024, von https://www.engineeringtoolbox.com/ 

[2] H. Elhosiny Ali, A.M. El-Taher, H. Algarni, Influence of bismuth addition on the physical and mechanical properties of low silver/lead-free Sn-Ag-Cu solder, Materials Today Communications, Volume 39, 2024,109113, ISSN 2352-4928, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109113.

[3] M.I.I. Ramli, M.A.A. Mohd Salleh, H. Yasuda, J. Chaiprapa, K. Nogita, The effect of Bi on the microstructure, electrical, wettettability and mechanical properties of Sn-0.7Cu-0.05Ni alloys for high strength soldering, Materials & Design, Volume 186, 2020, 108281, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108281.

[4] Preeth Sivakumar, Kathy O'Donnell, Junghyun Cho, Effects of bismuth and nickel on the microstructure evolution of Sn-Ag-Cu (SAC)-based solders, Materials Today Communications, Volume 26, 2021, 101787, ISSN 2352-4928, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101787. 

Ursprünglich veröffentlicht in Circuitnet