Små legeringstillsatser förbättrar blyfria lod

När det gäller metallegeringar i andra branscher, som stål, koppar eller aluminium, har man länge använt små legeringstillsatser för att påverka legeringens olika egenskaper. Nu används samma metod för att modifiera blyfria legeringar, det vill säga tillsatser av små mängder olika ämnen för att förbättra specifika egenskaper. Lodlegeringar för lödning av elektronik har dock en kraftig begränsning och det är att smältpunkten inte får bli för hög vilket kraftigt minskar antalet lämpliga legeringselement liksom den halt av respektive ämne som kan användas. Den blyfria legering som dominerar globalt är SAC305, det vill säga SnAg3,0Cu0,5, men både Felder Löttechnik och Koki Company Limited har nu blyfria lod som har modifierats med små tillsatser av olika legeringselement. Tacklod Förädlingskostnaden för tacklod är låg vilket medför att metallpriset direkt slår igenom på försäljningspriset. För en våglödmaskin med en lodgryta på 800kg innebär det att man i praktiken stoppar i 25 kg silver. Samtidigt har priset för silver stigit dramatiskt de senaste åren. Detta är ett av skälen varför man tittat på alternativ till SAC305 för våglödning. Enklaste sättet att minska kostnaden är att avlägsna silvret från lodet. Då skulle den eutektiska legeringen SnCu0,7 kunna vara ett alternativ men den har några påtagliga nackdelar. Stelningstemperaturen är 10°C högre än för SAC305, 227°C jämfört med 217°C, men för våglödning är detta inte något stort problem. Trots att SnCu0,7 i teorin är en eutektisk sammansättning så uppför den sig i stelningsfasen inte som en sådan. Den matta, skrovliga ytan på en fog lödd med SnCu0,7 är också ett synbart bevis på en icke-eutektisk stelning. Genom att tillsätta rätt legeringselement går det emellertid att få SnCu0,7 att stelna som en eutektisk legering. En tillsats av i storleksordningen 500-700 ppm nickel får just denna effekt. En annan fördel med nickel är att den ger ett tunnare och jämnare intermetalliskt skikt. Nästa parameter att åtgärda är slaggbildningen. För att minska slaggbildningen hos tenn/bly-lod tillsattes ofta fosfor men när det gäller blyfria lod medför en tillsats av fosfor att upplösningshastigheten av koppar ökar dramatiskt. En tillsats av i storleksordningen 100 ppm germanium minskar slaggbildningen. Utflytningen av SnCu0,7(Ni, Ge) är dock inte optimal men med en liten tillsats av silver så förbättras spridningen avsevärt. Det har förekommit en del diskussioner kring patentsituationen för nickeldopade tenn/kopparlod. Fuji Electric har patenterat en legering som förutom tillsatser av nickel och germanium också tillåter tillsats av silver vilket andra snarlika patent inte täcker. I Europa tillverkar Felder Löttechnik flera typer av lod med den gemensamma beteckningen SolderCoat på licens enligt Fuji Electrics tyska patent (DE 198 16 671 C2). Sammansättningen på Felders olika SolderCoat-lod visas i tabell 2. Lodtråd Förädlingsvärdet för lodtråd, speciellt för tunna trådar, är större än för tacklod men trots detta spelar metallpriset också här en viktig roll. Även för lodtråd pågår därför arbete med att minska silverinnehållet i lodet och försöka hitta ett bra alternativ till SAC305. Precis som för tacklod är inte lodtrådens smältpunkt den mest kritiska parametern utan det är betydligt viktigare hur aggressiv legeringen är mot lödspetsarna. Den vanligaste åtgärden från lödstationstillverkarna för att öka livslängden på lödspetsarna är att plätera ett tjockare järnskikt på kopparspetsen. Järn leder dock värme betydligt sämre än koppar. Denna metod innebär att det är svårt att göra smala spetsar med bibehållen värmeledningsförmåga eftersom ett tjockare järnskikt innebär att kopparspetsen måste bli tunnare. En annan metod är givetvis att ta fram en legering som är mindre aggressiv mot järnet på lödspetsen. Även om till exempel SolderCoat Sn100Ni+ som används i tacklod är mindre aggressivt än SAC305 så kommer det ändå att förkorta livslängden på lödspetsarna. Därför gäller det att hitta ett annat legeringselement som minskar upplösningen av järn. Kobolt är ett legeringselement som bildar en tunn, jämn intermetallisk förening bestående av tenn, järn och kobolt och som försvårar ytterligare upplösning av järnskiktet. I sin lodtråd S03X7C-56M så använder sig Koki av en legering baserad på SnCu0,7 med en tillsats av 0,3 vikt-% silver och 300 ppm kobolt. Tillsatsen av silver är till för att förbättra lödbarheten hos legeringen och kobolt medverkar förutom till att minska upplösningen av järnskiktet också att minska upplösningen av koppar från kort och komponenter. Lodpasta Förädlingsvärdet för lodpasta är så pass högt att metallpriset spelar en underordnad roll. Därför finns det inte heller ett lika stort tryck att ta bort silvret i lodpastan. Dessutom är lägre smält- och stelningstemperaturerna viktigare vid omsmältningslödning än vid våg- eller handlödning så den 10°C lägre stelningstemperaturen hos SAC305 gör denna legering mer attraktiv att använda i lodpasta. Många undersökningar som har utförts gällande hållfastheten hos lödfogen visar att SAC305-fogar är lika bra eller bättre än tenn/bly. Dock finns det specifika miljöer där tenn/bly-lod ger bättre resultat i tester än SAC305 på grund av att SAC305 är en betydligt styvare legering än tenn/bly. För krävande miljöer, till exempel inom fordonsindustrin, behövs därför en legeringstillsats som förbättrar elasticiteten jämfört med vanlig SAC305. Som tidigare nämnts så medför en tillsats av nickel att det intermetalliska skiktet blir tunnare och jämnare vilket över tiden kommer att påverka tillförlitligheten positivt. Detta har Koki tagit fasta på genom att lansera en "anti-crack"-legering för krävande miljöer kallad S3XNI. Legeringen baseras på SAC305 med en tillsats av 0,5 vikt-% indium för förbättrad elasticitet och 500 ppm nickel. Förutom att lodet tack vare tillsatsen av indium blir mindre styvt så sänks samtidigt smält- och stelningsintervallet till 214-216°C. Slutsats Modifiering av lodlegeringar med hjälp av små tillsatser av olika legeringselement är en metod som kommit för att stanna. De typ av lod som presenteras i artikeln ligger idag i framkanten av utvecklingen och kan, beroende på produktkraven, erbjuda betydande fördelar framför konventionella tenn/koppar- eller SAC305-legeringarna. Björn Häggström Matronic AB