Reflow-Lötprofile: SAC305, bleifrei & bleihaltig

Reflow-Löten schmilzt Lotpaste, um dauerhafte Verbindungen zwischen oberflächenmontierten Komponenten und Lötpads herzustellen. Das Temperaturprofil — die Zeit-Temperatur-Kurve, die die Platine durch den Reflow-Ofen durchläuft — ist die wichtigste Prozessvariable. Ein falsches Profil verursacht Kaltlötstellen, Grabsteinbildung, Komponentenrisse oder Elektrolyt-Sieden; all dies besteht die Sichtinspektion und versagt im Feld. Die Profilverifizierung ist ein wichtiger Bestandteil der Qualitätsinspektion für jedes PCB-Bestückungs-Projekt.

Überblick

Ein Durchlauf-Reflow-Ofen hat 6–14 Temperaturzonen. Die Platine durchläuft jede Zone mit kontrollierter Geschwindigkeit und erlebt ein steigendes und fallendes Temperaturprofil. Das Profil muss die Platine ausreichend erhitzen, um das Lot vollständig zu schmelzen und zu benetzen, während es unterhalb der Schadensgrenze jeder Komponente auf der Platine bleibt. Für gemischte Bestückungen (Durchsteck-Pins, die per Wellenlöten in eine Platine mit vorhandenen Reflow-SMD-Komponenten eingelötet werden) darf das Reflow-Profil auch keine Verbindungen aus dem vorherigen Prozess wieder aufschmelzen.

Zwei dominante Lotsysteme in der China-Produktion:

SAC305 (Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5): bleifrei, RoHS-konform, Liquidustemperatur 217 °C
Sn63Pb37: bleihaltig, Liquidustemperatur 183 °C — noch verwendet für industrielle, militärische und einige hochzuverlässige Anwendungen, die von RoHS ausgenommen sind

Wichtige Parameter

Parameter	SAC305 (Bleifrei)	Sn63Pb37 (Bleihaltig)	Hinweise
Liquidustemperatur	217 °C	183 °C	Vollständiger Schmelzpunkt
Vorheizaufheizrate	1–3 °C/s	1–2 °C/s	Zu schnell = Thermischer Schock
Einweichzonentemperatur	150–200 °C	140–170 °C	Flussmittelaktivierung, Ausgasung
Einweichdauer	60–120 s	60–90 s	Unterhalb Liquidus
Peaktemperatur	235–250 °C	205–225 °C	Am heißesten Punkt der Platine
Abstand über Liquidus	+18–33 °C	+22–42 °C	Gewährleistet vollständige Benetzung
Zeit über Liquidus (TAL)	30–90 s	30–60 s	Zu lang = Komponentenschaden
Peak-zu-Umgebung-Abkühlung	≤ 4 °C/s	≤ 4 °C/s	Schneller = Kaltlötstelle, spröde
Maximale Aufheizrate	3 °C/s	2 °C/s	Keramikkondensator-Rissrisiko

Zonenweise Profilaufschlüsselung

Zone 1–3: Vorheizen (25 °C → 150 °C) Ziel: Platinentemperatur schrittweise erhöhen, um thermischen Schock zu vermeiden, der Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) bricht. Aufheizrate darf 3 °C/s (SAC305) oder 2 °C/s (bleihaltich) nicht überschreiten. In dieser Phase wird restliche Feuchtigkeit auf der Platine oder in Komponentengehäusen ausgetrieben. Wenn Feuchtigkeit vor der Einweichzone nicht ausgetrieben wird, verdampft sie in der Lotpaste und erzeugt Hohlräume.

Zone 3–5: Einweichen/Aktivierung (150–200 °C für SAC305) Das Flussmittel der Lotpaste aktiviert sich und reinigt die Pad- und Komponentenoberflächen (entfernt Oxide). Die Paste muss lange genug in dieser Zone bleiben, um vollständige Aktivierung zu erzielen — 60–120 Sekunden. Zu kurz: schlechte Benetzung auf oxidierten Pads. Zu lang: Flussmittel verbrennt vor dem Reflow, was ebenfalls zu schlechter Benetzung führt. Während des Einweichens gleicht sich die Platinentemperatur über das Panel an — kritisch für Platinen mit großen thermischen Masseunterschieden zwischen Zonen.

Zone 5–7: Reflow (über Liquidus, 217–250 °C für SAC305) Lot schmilzt, benetzt Pad und Komponenten-Terminierung und bildet die Verbindung. Zeit über Liquidus (TAL) von 30–90 Sekunden ermöglicht vollständige Benetzung ohne Überhitzung der Komponenten. Peaktemperatur wird am kältesten Punkt der Platine gemessen (unter der höchsten thermischen Masse, wie einem Leistungssteckverbinder oder großem Kühlkörper-Pad). Viele Fabriken messen den Peak am einfachsten Thermoelement-Standort — verlangen Sie, dass das Thermoelement unter der thermisch anspruchsvollsten Komponente platziert wird.

Kühlzone: Peak → 100 °C Schnelle aber kontrollierte Abkühlung (<4 °C/s). Zu langsam: Intermetallschicht wächst dicker, was die Verbindungsfestigkeit im Laufe der Zeit reduziert. Zu schnell: thermischer Schock, oder die Lötstellen-Struktur hat unzureichende Zeit zur Organisation — kann körnige, spröde Verbindungen erzeugen. Stickstoffatmosphäre (wenn verwendet) verhindert Reoxidation während der Abkühlung.

Niedertemperatur-Alternativen

SnBiAg (z. B. Sn42/Bi57/Ag1): Liquidus ~138 °C, Peakprofil 150–165 °C. Verwendet für wärmeempfindliche Komponenten, die 250 °C SAC305-Peaks nicht aushalten können — einige Dünnschicht-QFNs, bestimmte Display-Module, Komponenten mit auf 180 °C bewerteten Kunststoffsteckverbindern. Niedrigere Peaktemperaturen reduzieren PCB-Verwölbung bei großformatigen Platinen. Kompromiss: geringere Zugfestigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit als SAC305. Nicht empfohlen für Hochvibrationsoder thermische Zyklusanwendungen.

J-STD-020 Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufen (MSL)

Komponenten absorbieren während der Lagerung Feuchtigkeit. Wenn feuchtigkeitsgesättigte Komponenten in den Reflow-Ofen gelangen, verdampft Wasser und dehnt sich innerhalb des Gehäuses schneller aus, als es entweichen kann, was interne Delaminierung verursacht („Popcorn-Effekt”) — oft äußerlich unsichtbar, aber verheerend für die Zuverlässigkeit. J-STD-020 klassifiziert Komponenten danach, wie schnell sie Feuchtigkeit auf unsichere Niveaus absorbieren:

MSL-Stufe	Bodenlaufzeit (bei 30 °C/60 % RH)	Vor Reflow backen?
MSL 1	Unbegrenzt	Nein (aber versiegelt lagern)
MSL 2	1 Jahr	Wenn Bodenlaufzeit überschritten
MSL 2a	4 Wochen	Wenn Bodenlaufzeit überschritten
MSL 3	168 Stunden (1 Woche)	Ja, wenn >168 Std. seit Öffnung
MSL 4	72 Stunden	Ja
MSL 5	48 Stunden	Ja
MSL 5a	24 Stunden	Ja
MSL 6	TOL (Zeit auf Etikett)	Immer gemäß Etikett backen

BGAs und QFNs sind häufig MSL 3 oder höher. Wenn sie länger als 168 Stunden in offener Lagerung waren (oder die Fabrik die Lagerbedingungen nicht bestätigen kann), müssen sie vor dem Reflow gebacken werden: 125 °C für 8–24 Stunden je nach Gehäusedicke und MSL-Stufe, gemäß J-STD-033.

Fragen Sie die Fabrik: „Wie verfolgen Sie MSL für Komponenten? Protokollieren Sie, wann Gurte geöffnet werden?” Wenn sie kein Verfahren haben, tragen Sie das Risiko.

Stickstoffatmosphäre-Reflow

Das Ersetzen von Luft durch Stickstoff (O₂ <100 ppm) im Ofen verhindert Lot- und Pad-Oxidation während des Reflows. Vorteile: bessere Benetzung, niedrigere Fehlerraten bei Feinraster-Komponenten, Möglichkeit No-Clean-Flussmittel mit minimalem Rückstand zu verwenden. Kosten: fügt 0,10–0,30 USD/Platine für Stickstoffverbrauch hinzu. Erforderlich für: einige bleifreie No-Clean-Prozesse auf 0,3-mm-Raster-BGAs; empfohlen für hochzuverlässige Klasse-3-Baugruppen.

Was beim Bestellen aus China zu spezifizieren ist

Lotlegierung: SAC305, Sn63Pb37 oder spezifische Niedertemperaturlegierung — angeben, welche, und auf J-STD-006-Legierungsbezeichnung verweisen
MSL-Handhabungsverfahren: Fabriken auffordern, Komponenten-MSL-Stufen und Back-Historie zu dokumentieren; dies als Fabrikaudit-Checkliste-Punkt aufnehmen
Profilcharakterisierung auf Ihrer Platine: Thermoelement-Protokoll vom ersten Produktionslauf verlangen, platziert am ungünstigsten thermischen Standort, nicht ein generisch gespeichertes Profil
Stickstoffatmosphäre: „Ja” oder „Nein” angeben — wenn nicht angegeben, wählen die meisten Fabriken standardmäßig Luft
Erstmusterprüfung (FAI): Eine Platine aus dem ersten Panel für X-Ray und Querschnitt verlangen, um Verbindungsqualität vor Genehmigung der Massenproduktion zu verifizieren

Qualitätsprüfungen

Die endgültige Prüfung: Thermoelement-protokolliertes Profil für Ihre spezifische Platine, mit dem an der Unterseite der thermisch massereichsten Komponente befestigten Thermoelement. Gemessene Peaktemperatur, TAL und Aufheizraten mit der obigen Spezifikationstabelle vergleichen. Dies als Teil der Erstmusterprüfungsdokumentation anfordern.

Querschnittsmikroskopie an BGA-Verbindungen zeigt: Intermetallschichtdicke (1–3 µm ideal), Hohlraumanteil und Verbindungsgeometrie. Für die Produktion bestätigt X-Ray-AXI die Verbindungsbildung auf jeder Platine.

Häufige Probleme

Kaltlötstellen bei SAC305: Peaktemperatur unzureichend oder TAL zu kurz. SAC305 erfordert höheren Peak als bleihaltig — Fabriken, die SAC305-Paste durch ein für bleihaltige Lote abgestimmtes Profil führen, erzeugen Kaltlötstellen, die elektrisch OK testen können (Kontaktwiderstand), aber thermomechanisch unter Vibration oder Temperaturzyklen versagen.

Gerissene MLCCs: Aufheizrate überschritt 3 °C/s im Vorheizen, oder Platine wurde unmittelbar nach dem Reflow in eine kalte Halterung fallen gelassen. MLCCs (besonders 0402 und 0201 X7R/X5R) sind spröde; thermischer Gradient über ihrem Körper verursacht mechanische Stressbrüche. Mikrorisse bestehen häufig elektrische Tests bei Raumtemperatur, versagen aber bei erhöhter Temperatur oder nach mechanischem Stress.

Elektrolytkondensatorausfall: Peaktemperatur überschritt Komponentenbewertung (typischerweise 260 °C für 10 Sekunden gemäß J-STD-020). Elektrolyt siedet und öffnet den Kondensator. Häufiger bei hochdichten Platinen, wo der Luftstrom im Ofen ungleichmäßig ist und Hotspots entstehen. Komponententemperaturbewertungen gegen ungünstigstes Ofenprofil verifizieren.