Bleifrei oder bleihaltig? Was vor 15 Jahren mit RoHS begann, ist heute komplexer denn je. Wir analysieren Zuverlässigkeit, Kosten und regulatorische Anforderungen – damit Sie die richtige Lötlegierung für Ihr Projekt wählen.
Regulatorischer Hintergrund
Die RoHS-Richtlinie (Restriction of Hazardous Substances) verbietet seit 2006 den Einsatz von Blei in Elektronik für den EU-Markt. Dennoch gibt es wichtige Ausnahmen:
| Anwendungsbereich | RoHS-Status | Blei erlaubt? |
|---|---|---|
| Consumer Electronics | Pflicht | Nein |
| Industrieausrüstung | Pflicht | Nein |
| Medizinprodukte (aktiv implantierbar) | Ausnahme möglich | Unter Auflagen |
| Militär & Luft-/Raumfahrt | Ausgenommen | Ja |
| Hohe Zuverlässigkeit (Server, Infrastruktur) | Ausnahme 7(c)-I | Bis 2024 verlängert |
Wichtig:
Die RoHS-Ausnahmen werden regelmäßig überprüft und können auslaufen. Prüfen Sie den aktuellen Status Ihrer Ausnahme vor jeder Produktentscheidung auf derEU-Kommission-Website.
Lötlegierungen im Vergleich
Bleihaltige Legierungen
Die klassische Legierung Sn63Pb37 (63% Zinn, 37% Blei) war jahrzehntelang der Industriestandard:
| Legierung | Schmelzpunkt | Eigenschaften | Anwendung |
|---|---|---|---|
| Sn63Pb37 | 183°C (eutektisch) | Exzellente Fließeigenschaften, kein pastöser Bereich | Standard, alle Anwendungen |
| Sn60Pb40 | 183-188°C | Günstiger, kleiner pastöser Bereich | Wellenlöten |
| Sn62Pb36Ag2 | 179°C | Bessere Ermüdungsfestigkeit | High-Reliability |
Bleifreie Legierungen
Nach 15+ Jahren Entwicklung gibt es heute ausgereifte bleifreie Alternativen:
| Legierung | Schmelzbereich | Eigenschaften | Anwendung |
|---|---|---|---|
| SAC305 | 217-220°C | Industriestandard, gute Balance | SMT, Reflow |
| SAC387 | 217-219°C | Höherer Silberanteil, teurer | High-Reliability |
| SN100C | 227°C | Kein Silber, kostengünstig | Wellenlöten |
| Innolot | 206-218°C | Niedrigerer Schmelzpunkt, bessere Ermüdungsfestigkeit | Automotive, High-Temp |
“SAC305 hat sich als der de-facto Standard für bleifreies Löten etabliert. In 90% der Fälle ist es die richtige Wahl. Speziallösungen wie Innolot reservieren wir für Automotive-Projekte mit extremen Temperaturzyklen.”
Hommer Zhao
Technischer Berater, PCB-Leiterplatte
Zuverlässigkeit: Blei vs. Bleifrei
Die Zuverlässigkeitsfrage ist komplex und hängt stark von der Anwendung ab. Nach 15 Jahren Felderfahrung lassen sich folgende Aussagen treffen:
Tin Whisker (Zinn-Whisker)
Tin Whisker sind feine, nadelartige Zinnkristalle, die aus reinen Zinnoberflächen wachsen können und Kurzschlüsse verursachen. Blei unterdrückt dieses Wachstum.
| Legierung | Whisker-Risiko | Mitigation |
|---|---|---|
| Sn63Pb37 | Sehr gering | Keine nötig |
| SAC305/SAC387 | Mittel | Conformal Coating empfohlen |
| Reines Zinn | Hoch | Vermeiden oder beschichten |
Thermische Ermüdung
Bei wiederholten Temperaturzyklen zeigen sich Unterschiede in der Langzeitstabilität:
Temperaturzyklus-Verhalten:
- Sn63Pb37: Gute bis sehr gute Ermüdungsfestigkeit, gut verstanden
- SAC305: Steifer, bei milden Zyklen gut, bei extremen Zyklen kritischer
- SAC387: Besser als SAC305, aber teurer durch Silber
- Innolot: Speziell für Automotive entwickelt, beste bleifrei Ermüdungsfestigkeit
| Temperaturbereich | Empfohlene Legierung | Begründung |
|---|---|---|
| 0°C bis +60°C (mild) | SAC305 | Standardlegierung ausreichend |
| -20°C bis +85°C (moderat) | SAC305 oder SAC387 | Design-Maßnahmen beachten |
| -40°C bis +125°C (extrem) | Innolot oder Sn63Pb37 | Speziallegierung empfohlen |
Prozessunterschiede
Der höhere Schmelzpunkt bleifreier Lote hat Auswirkungen auf den gesamten Fertigungsprozess bei der PCB-Bestückung:
| Parameter | Bleihaltig (Sn63Pb37) | Bleifrei (SAC305) | Auswirkung |
|---|---|---|---|
| Reflow-Peak | 215-225°C | 245-260°C | Höhere Bauteilbelastung |
| TAL (Time above Liquidus) | 45-90 Sek. | 60-120 Sek. | Längere Wärmebelastung |
| Prozessfenster | Größer | Kleiner | Präzisere Kontrolle nötig |
| Benetzung | Exzellent | Gut bis sehr gut | Aktivere Flussmittel nötig |
Bauteil-Kompatibilität
Nicht alle Bauteile sind für bleifreie Prozesse qualifiziert:
Kritische Bauteile prüfen:
- Elektrolytkondensatoren: Temperaturrating prüfen (min. 260°C/10s)
- LEDs: Viele Low-Cost-LEDs nur für SnPb qualifiziert
- Kunststoffgehäuse: Schmelzpunkt und Verformung beachten
- BGAs: Underfill ggf. bei bleifrei nötig
Kostenvergleich
Die Gesamtkosten setzen sich aus mehreren Faktoren zusammen:
| Kostenfaktor | Bleihaltig | Bleifrei | Differenz |
|---|---|---|---|
| Lötpaste (kg) | ~€120 | ~€180 (SAC305) | +50% |
| Energiekosten (Reflow) | Referenz | +10-15% | +15% |
| PCB-Finish | HASL günstig | ENIG oft nötig | +€0,05-0,15/cm² |
| Nacharbeit | Einfacher | Aufwendiger | +20-30% |
Insgesamt liegen die Fertigungskosten für bleifreie Bestückung etwa 5-15% höher als für bleihaltiges Löten. Bei hohen Stückzahlen und standardisierten Produkten nähern sich die Kosten jedoch an.
Mixed Assembly: Bleifrei und Bleihaltig kombinieren?
In der Praxis treffen manchmal bleihaltige Bauteile auf bleifreie Prozesse oder umgekehrt. Dies birgt Risiken:
Forward Compatibility (SnPb-Bauteile in Pb-free Prozess)
Meist unproblematisch:
Die höheren Temperaturen des bleifreien Prozesses schmelzen das vorhandene SnPb-Lot vollständig auf. Es entsteht eine gemischte Legierung mit akzeptablen Eigenschaften.
Backward Compatibility (Pb-free Bauteile in SnPb-Prozess)
Kritisch:
Die niedrigeren Temperaturen reichen oft nicht aus, um das bleifreie Finish der Bauteile vollständig aufzuschmelzen. Dies kann zu unzuverlässigen Lötstellen führen.
“Mischen Sie nicht blind. Wenn Sie SnPb-Bauteile in einem bleifreien Prozess verwenden müssen, dokumentieren Sie dies sorgfältig. Der umgekehrte Fall – bleifreie Bauteile im SnPb-Prozess – erfordert erhöhte Prozesstemperaturen.”
Hommer Zhao
Technischer Berater, PCB-Leiterplatte
Entscheidungshilfe: Welche Legierung für Ihr Projekt?
Nutzen Sie diese Checkliste für Ihre Entscheidung:
Wählen Sie bleifrei (SAC305/SAC387), wenn:
- ☑ Produkt wird in der EU verkauft (Consumer, Industrie)
- ☑ Keine RoHS-Ausnahme anwendbar
- ☑ Temperaturbereich -20°C bis +85°C
- ☑ Alle Bauteile für Pb-free qualifiziert
- ☑ Kunde fordert bleifreie Fertigung
Bleihaltig (Sn63Pb37) ist möglich, wenn:
- ☑ RoHS-Ausnahme anwendbar (Militär, Luft-/Raumfahrt)
- ☑ Extreme Zuverlässigkeitsanforderungen
- ☑ Temperaturbereich >-40°C bis +125°C
- ☑ Whisker-Risiko muss minimiert werden
- ☑ Legacy-Design ohne Änderungsmöglichkeit
Prüfen Sie Speziallegierungen (Innolot etc.), wenn:
- ☑ Automotive-Qualifizierung (AEC-Q) erforderlich
- ☑ Extreme Temperaturzyklen im Einsatz
- ☑ Langzeitanwendung mit hoher Lebensdauer
- ☑ Große Bauteile mit hohem CTE-Mismatch
Design-Empfehlungen für bleifreies Löten
Wenn Sie sich für bleifrei entscheiden, beachten Sie diese Design-Guidelines:
- Pad-Design: Größere Pads kompensieren die schlechtere Benetzung (min. +10% gegenüber SnPb)
- Via-in-Pad: Vermeiden oder mit Expoxy füllen (mehr Lotabfluss bei bleifrei)
- Thermische Anbindung: Thermal Reliefs bei großen Flächen noch wichtiger
- BGA-Design: Keine Via-in-Pad bei BGAs, Underfill einplanen
- Oberflächenfinish: ENIG oder OSP bevorzugen, Immersion-Sn nur mit Vorsicht
Für komplexe Designs empfehlen wir eine frühe Abstimmung mit dem Fertigungspartner. Bei der PCB-Fertigung können wir bereits das optimale Finish empfehlen.
Fazit
Die Entscheidung zwischen bleifrei und bleihaltig ist heute klarer als vor 15 Jahren:
Zusammenfassung:
- Bleifrei ist der Standard für die meisten kommerziellen Anwendungen. SAC305 ist ausgereift und zuverlässig.
- Bleihaltig bleibt relevant für Militär, Raumfahrt und bestimmte High-Reliability-Anwendungen.
- Speziallegierungen wie Innolot schließen die Lücke für Automotive und extreme Bedingungen.
- Die richtige Wahl hängt von Ihren spezifischen Anforderungen ab – regulatorisch, technisch und wirtschaftlich.
Haben Sie Fragen zur optimalen Lötlegierung für Ihr Projekt? Unsere Experten beraten Sie gerne – von der Materialwahl bis zur fertigen PCB-Bestückung.
