Umdenken für die Zukunft

Werkstoffe - Die RoHS-Richtlinie ist nur eins von vielen Gesetzen in der EU. Dennoch stellt sie Europas Hersteller für Antriebe vor eine ihrer größten Herausforderungen. Rechtzeitiges Handeln sichert deshalb Perspektiven.

10. April 2006

Aber nicht nur die gesetzlichen Entwicklungen in Europa waren für das japanische Unternehmen Oriental Motor Anlass, die EU-verordnete Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe extensiv umzusetzen. Auch im Land der aufgehenden Sonne hat der Trend des bleifreien Lötens längst eingesetzt. Die erste Roadmap zum Thema entstand 1998 in Japan, initiiert durch die »Japan Electronic Industry Development Association« (JEIDA) und durch das »Japan Institute for Electronic Packaging « (JIEP). Führende japanische Elektronikhersteller wie Hitachi, Matsushita und Toshiba - alle drei wichtige Kunden von Oriental Motor - nahmen den Bleifrei-Gedanken daraufhin ebenfalls auf. Weitere Pläne folgten im Jahr 2000 durch die JEIDA und 2001 bzw. 2002 auf Initiative der »Japan Electronics and Information Technology Industries Association« (JEITA). Herstellern wurde darin beispielsweise die Verwendung von Sn-3Ag-0.5Cu als bleifreies Lot beim Reflow-Löten empfohlen.

Bleifreie Lösungen

Oriental Motor konnte bereits Ende 2001 die ersten bleifreien 5-Phasen-Schrittmotoren an die Kunden ausliefern. Seit 2004 ist das bleifreie Löten bei allen Produkten von Oriental Motor Standard. Hauptproblem war die Suche nach der passender Legierung. In der Vergangenheit wurde das bleihaltige Lot Sn-37Pb eingesetzt, um zum Beispiel in der Schrittmotoren-Herstellung mittels Tauchlöten die Magnet- und Motordrähte zu verbinden. Bei den bürstenlosen DC-Antrieben wurde vor allem auf der im Motorgehäuse befindlichen Platine gelötet. Grundsätzlich finden zwei Methoden Anwendung: Zum einen das Löten mit Lötkolben und Fülldraht, wobei die Temperatur am Ende des Lötkolbens 350 °C beträgt; zum anderen das Lötbad, bei dem bei ca. 400 °C Lotbarren zum Schmelzen gebracht werden. Um den optimalen Ersatz für das bleihaltige Lot zu definieren, verglichen die Ingenieure von Oriental Motor drei, potenziell in Frage kommende Legierungssysteme mit dem bisherigen Lötzinn: Zinn-Silber-Kupfer (Sn-Ag-Cu), Zinn-Silber (Sn-Ag) und Zinn-Kupfer (Sn-Cu). Alle Legierungen wurden hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Zuverlässigkeit, Eigenschaften, Verfügbarkeit und Kosten bewertet. Die Sn-Ag-Cu-Legierung schnitt beim Vergleichstest am besten ab und übertraf in puncto Hitzebeständigkeit und Kriecheigenschaft sogar die alte Zinn-Blei-Legierung. Allerdings fiel die Bewertung bei den Punkten Schmelztemperatur und Benetzbarkeit geringfügig niedriger aus, außerdem ist dieses Legierungssystem teurer. Beim Fülldraht entschied sich Oriental Motor für Sn-3Ag-0.5Cu und schloss sich damit der Empfehlung der JEITA an. Bei den Lotbarren für das Lötbad war die Auswahl etwas schwieriger, denn Löten mit bleifreiem Lötzinn bei ca. 400 °C birgt die Gefahr, dass sich das Kupfer auflöst. Im Vergleich zur alten Legierung Sn-37Pb enthält die neue Legierung Sn-3Ag-0.5Cu mehr Zinn, was die Auflösung von Kupfer beschleunigt, jedoch kein Blei mehr, was der Auflösung entgegenwirken würde. Beim Tauchlöten mit hohen Temperaturen wird die Auflösung des Kupfers also verstärkt, so dass sich der Durchmesser von Magnetdrähten verkleinern kann. Bei Magnetdrähten mit einem Durchmesser von 0,1 mm oder weniger, könnte dadurch ein ausreichender Kontakt gefährdet sein.

Testreihen brachten die Lösung

Zur genauen Feststellung des Problems führten die Ingenieure folgenden Test durch: Ein Magnetdraht mit 0,06 mm Durchmesser wurde um den Motordraht gewickelt und in einem Lötbad mit 400 °C bzw. 425 °C gelötet. Die Eintauchzeit betrug eine Sekunde, zwei Sekunden bzw. drei Sekunden. Die Testreihen wurden mit dem alten Lötzinn Sn-37Pb und dem neuen Sn-3Ag-0.5Cu durchgeführt. Bei ersterem war keine Kupferauflösung festzustellen. Bei letzterem hingegen traten bei 400 °C und einer Eintauchzeit von einer Sekunde beträchtliche Auflösungen auf. Um den Zusammenhang zwischen Kupferanteil im Lötzinn und der Auflösung des Kupfers zu verstehen, wurde ein weiteres Experiment durchgeführt. Die Ingenieure wickelten einen Magnetdraht mit 0,11 mm Durchmesser um einen rechteckig gebogenen Kupferdraht und maßen die Zeit, bis der Magnetdraht geschmolzen war. Die Temperatur des Lötbads betrug 400 °C, als Lötzinn dienten Sn-37Pb, Sn-3AG-0.5Cu, Sn-Ag-4Cu und Sn-Ag-6Cu. Ergebnis: Je höher der Kupferanteil, desto geringer die Kupferauflösung. Nimmt man das bleihaltige Lot als Referenz, benötigt man 3,5 - 4 % Kupferanteil, um auf die gleiche Schmelzgeschwindigkeit zu kommen. Nach einem weiteren Versuch zur Abhängigkeit von Kupferanteil und Liquidus-Temperatur entschieden sich die Forscher schließlich für die Legierung Sn-Ag-4Cu als Lotbarren.

Haftfestigkeit entscheidet

Ein weiterer Test sollte sicherstellen, dass die neuen Lote auch wirklich zuverlässig arbeiten. Für den Test wurden drei Motordrähte mit Sn-37Pb, Sn-3Ag-0,5 Cu und Sn-Ag-4Cu als Lot mit einer Kupferplatte verlötet. Alle Drähte wurden anschließend 1.000 Hitzezyklen von jeweils -20 °C bis 150 °C unterzogen. Danach wurde die Haftfestigkeit gemessen und mit der zu Beginn des Versuchs verglichen. Wesentliche Beeinträchtigungen waren dabei nicht festzustellen. Das gleiche Resultat ergab sich bei einem zweiten Test zum elektrischen Widerstand der Drähte. Ein Problem beim Einsatz bleifreier Lote besteht darin, dass es zu einer Auflösung von Eisen kommt, wodurch Löcher an der Lötkolbenspitze entstehen können. Gegenüber der Verwendung von bleihaltigem Lötzinn kann die Lebensdauer der Lötkolbenspitze um die Hälfte sinken. Abhilfe schafft schon der Einsatz hochwertiger Lötkolben. Auch bei Edelstahl, der beispielsweise im Lötbadbehälter oder in der Schutzkappe des Widerstandsthermometers enthalten ist, können durch Auflösung Löcher im Material entstehen. Der Einsatz alternativer Materialien wie Keramik kann solche Schäden verhindern.

Qualität und Umweltschutz

Oriental Motor hat die Elektromotoren-Produktion vollständig auf die Verwendung bleifreier Lote umgestellt. Damit hat das Unternehmen einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Umsetzung der RoHS-Richtlinie realisiert. Basierend auf Empfehlungen japanischer Organisationen, haben vor allem die internen Testreihen zur Auswahl der geeigneten bleifreien Lötzinne geführt.

Volker Böhm, Oriental Motor

Erschienen in Ausgabe: 02/2006