Studie bestätigt: Flowtin-Mikrolegierung stabilisiert SAC305-Lote
Zuverlässige Lötverbindungen sind das Rückgrat moderner Elektronikfertigung. Ob in der Automobilelektronik, in industriellen Steuerungen oder in der Leistungselektronik – die Qualität und Langzeitstabilität jeder einzelnen Lötstelle entscheidet darüber, ob ein Gerät seine Lebensdauer erreicht oder vorzeitig ausfällt. Vor diesem Hintergrund hat Stannol mit Flowtin® eine mikrolegierte Lotserie entwickelt, die genau dort ansetzt, wo herkömmliche SAC305-Lote an ihre Grenzen stoßen: bei der Mikrostruktur der Lötstelle und der Neigung zur Rissbildung.
Dass Flowtin hält, was es verspricht, belegt nun eine unabhängige wissenschaftliche Studie der Óbuda University (Budapest, Ungarn). Béla Bődi und Prof. Viktor Gonda veröffentlichten im März 2026 in der Fachzeitschrift Metals (MDPI) ihre Arbeit: „Thermal, Microstructural, and Morphological Analysis of Co-Ni-Ce Microalloyed SAC305 Lead-Free Solder Solidified at Low Cooling Rate". Im Mittelpunkt stand die Frage: Was passiert im Inneren einer Lötstelle, wenn die Mikrolegierung Co-Ni-Ce (Flowtin) ins Spiel kommt – und was bedeutet das für die Praxis?
Warum SAC305 allein manchmal nicht genug ist
SAC305 – die Legierung aus Zinn, Silber und Kupfer – gilt als Industriestandard im bleifreien Löten. Doch selbst dieser bewährte Werkstoff zeigt unter bestimmten Bedingungen Schwächen:
„Bei langsamer Abkühlung – wie sie in der Wellenlötanlage oder beim manuellen Löten typischerweise auftritt – neigt SAC305 zur Bildung grober intermetallischer Phasen und großflächiger Schrumpfdefekte an der Lötstellenoberfläche. Die Ursache liegt im sogenannten Unterkühlen: Die Schmelze erstarrt nicht gleichmäßig, sondern zögert, bevor die Keimbildung einsetzt. Dieser Verzug führt zu einem abrupten, ungeordneten Erstarren – mit entsprechend grober, unregelmäßiger Struktur im Inneren der Lötstelle“, erklärt Ingo Lomp, Leiter Innovation bei Stannol.
Hinzu kommt, dass Silberanteile bei erhöhten Temperaturen die Kupferauflösung beschleunigen und zur Bildung spröder intermetallischer Schichten (IML – Intermetallic Layer) beitragen. Wächst diese Schicht zu dick oder ist sie ungleichmäßig, steigt das Risiko für Rissbildung und mechanisches Versagen – besonders unter thermischer Wechselbelastung.
Die Flowtin-Idee: Kleine Mengen, große Wirkung
Stannols Antwort auf diese Herausforderung ist die patentierte Flowtin-Technologie, entwickelt von Dr. Werner Kruppa. Ingo Lomp: „SAC305 wird mit einer Kombination aus Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Cer (Ce) mikrolegiert – in Gesamtkonzentrationen von weniger als 500 ppm (0,05 Gewichtsprozent). Diese winzigen Zusätze verändern das Erstarrungsverhalten der Legierung grundlegend, ohne die bewährten Verarbeitungseigenschaften von SAC305 zu beeinträchtigen.“
Die Forscher der Óbuda University untersuchten genau diese Wechselwirkungen – thermisch, mikrostrukturell und morphologisch. Für ihre Experimente verwendeten sie SAC305 + CoNiCe in Form eines 3-mm-Volldrahtes von Stannol sowie handelsübliches SAC305 als Vergleichsprobe. Beide wurden unter identischen Bedingungen bei einer Abkühlrate von 0,4 °C/s auf Kupfersubstraten verlötet – eine Abkühlgeschwindigkeit, die für langsam abkühlende Lötprozesse relevant ist.
Deutlich geringeres Schwindungsvolumen
Schwindungshohlräume entstehen, wenn flüssiges Lot beim Erstarren schrumpft und sich das Volumen ungleichmäßig zusammenzieht. Die 3D-Röntgenaufnahme (Abbildung 1) der Flowtin-Probe zeigt das Ergebnis eindrücklich: Die per Computertomographie (XCT) visualisierten Schrumpfdefekte an der Oberfläche – farbig markiert nach Volumen von blau (klein) über türkis bis gelb (größer) – sind klein und über die Probe verstreut. Großflächige, zusammenhängende Hohlräume fehlen.
Nur kleinste Oberflächendefekte bei Flowtin
Das Histogramm (Abbildung 2) bestätigt den Befund quantitativ: Beim Flowtin-Lot (orange) konzentrieren sich nahezu alle Oberflächendefekte in der kleinsten Größenklasse unter 0,001 mm³. Größere Hohlräume, die beim Standard-SAC305 (blau) regelmäßig auftreten, fehlen beim mikrolegierten Lot nahezu vollständig. Das Gesamtvolumen der Schrumpfdefekte sank um den Faktor vier – von 0,33 mm³ auf 0,08 mm³.
Glattere Oberfläche
Der Box-Plot (Abbildung 3) belegt dies ergänzend anhand der gemessenen Defektgröße: Der Mittelwert halbierte sich von ca. 0,38 mm auf 0,19 mm, der maximale Einzelriss sank von 0,82 mm auf 0,57 mm.
Die deutlich engere Streubreite beim Flowtin-Lot zeigt, dass die Ergebnisse gleichmäßiger und vorhersehbarer sind. Die Oberfläche der Flowtin-Lötstellen ist makroskopisch glatter – ein sichtbares Zeichen für die verbesserte innere Struktur.
Feinere Mikrostruktur
Die Rasterelektronenmikroskopie (Abbildung 4) macht den Unterschied im Lotgefüge direkt sichtbar.
Im herkömmlichen SAC305 (a) sind innerhalb der großen β-Zinn-Körner deutlich sogenannte Subkörner erkennbar – kleinere Kristallbereiche, die durch Spannungen beim abrupten Erstarren entstehen. Sie gelten als potenzielle Startpunkte für Risse unter zyklischer Belastung.
Im Flowtin-Lot (b) fehlen diese Subkörner weitgehend. Das Gefüge wirkt gleichmäßiger und kompakter. Die mittlere Kornfläche der β-Zinn-Phase sank um 37,5 %.
Kleinere Körner verteilen thermische und mechanische Spannungen breiter über das gesamte Lotvolumen. Die verfeinerte Mikrostruktur gilt als günstige Voraussetzung für ein verbessertes thermomechanisches Verhalten.
Gleichmäßigere intermetallische Grenzschicht
Die intermetallische Schicht (Intermetallic Layer; IML) zwischen Kupfersubstrat und Lotmaterial ist eine kritische Zone jeder Lötstelle. Beim Standard-SAC305 bildet sich hier eine charakteristisch wellige, kammförmige Struktur – die sogenannte Scallop-Morphologie. An den Spitzen dieser Kämme entstehen Spannungskonzentrationen, die Mikrorisse begünstigen.
Die Mikrolegierung verändert diese Morphologie grundlegend: Die Grenzschicht wird deutlich ebenmäßiger und planarer. Die durchschnittliche Schichtdicke bleibt nahezu identisch (SAC305: 4,72 µm; Flowtin: 4,62 µm), entscheidend ist jedoch die Gleichmäßigkeit: Die Standardabweichung der IML-Dicke sank von 1,14 µm auf nur 0,46 µm. Die homogenere und planarere Grenzschicht reduziert ausgeprägte lokale Geometriespitzen. Dies wird werkstoffwissenschaftlich als günstige Voraussetzung für thermomechanisch belastete Lötstellen bewertet.
Weniger Unterkühlung – kontrolliertere Erstarrung
Die beschriebenen strukturellen Vorteile haben eine gemeinsame physikalische Ursache: die stark reduzierte Unterkühlung. Damit ist die Temperaturdifferenz gemeint, um die eine Lotschmelze unter ihren eigentlichen Erstarrungspunkt absinken muss, bevor die Kristallisation einsetzt. Je größer diese Lücke, desto abrupter erstarrt das Lot – und desto gröber und unregelmäßiger wird das Gefüge.
Bei Standard-SAC305 betrug dieser Wert 19,6 °C (ΔTuc) – beim Flowtin-Lot sank er auf nur 4,35 °C (ΔTuc). Die Schmelze beginnt früher und gleichmäßiger zu erstarren, da mehr Keimbildungsstellen zur Verfügung stehen. Weniger Unterkühlung bedeutet weniger innere Spannungen – und damit eine geringere Triebkraft für Rissbildung und Gefügegrobheit. Die reduzierte Unterkühlung ist ein wesentlicher Mechanismus für die beobachtete Verfeinerung und Homogenisierung der Erstarrungsstruktur.
Stabilere intermetallische Phasen
Ein wesentlicher Grund für das verbesserte Verhalten liegt im atomaren Aufbau: Co- und Ni-Atome haben nahezu den gleichen Atomradius wie Kupfer und können deshalb Cu-Atome im Gitter der Cu₆Sn₅-Phase ersetzen. Es entstehen Co- und Ni-substituierte Cu_6Sn_5-Phasen, insbesondere (Cu,Co,Ni)_6Sn_5-IMC-Partikel, die in der Studie mittels EDX-Spektroskopie nachgewiesen wurden.
Diese modifizierten Phasen sind thermodynamisch stabiler als reines Cu₆Sn₅. Besonders wichtig: Nickel stabilisiert die hexagonale Kristallstruktur und verhindert deren Umwandlung bei ca. 186 °C – eine Transformation, die beim Standard-SAC305 mit einer Volumenkontraktion von 2,15 % einhergeht und regelmäßig Mikrorisse in der Grenzschicht verursacht. Im Flowtin-Lot wurden solche Risse nicht beobachtet.
Höherer eutektischer Anteil
Der Anteil des eutektischen Gefüges – fein verteilte Ag₃Sn- und Cu₆Sn₅-Partikel in der β-Zinn-Matrix – stieg durch die Mikrolegierung von 32 Prozent auf 38 Prozent. Dieses feinverteilte Netzwerk wirkt wie eine Art inneres Stützsystem: Spannungen werden breiter gestreut, lokale Überlastungen werden vermieden. In Kombination mit feineren Körnern und einer gleichmäßigeren Grenzschicht entsteht ein Gefüge, das Kriechvorgängen und Thermoermüdung deutlich besser standhält.
Fazit: Wissenschaftlich belegt, für die Praxis relevant
Die Studie der Óbuda University liefert den unabhängigen wissenschaftlichen Nachweis für das, was Anwender von Flowtin® in der Praxis beobachten: stabilere Prozesse, glattere Lötstellen und geringere Defekte „Die Studie zeigt unabhängig, dass die Co-Ni-Ce-Mikrolegierung Erstarrungsverhalten, Defektverteilung, β-Sn-Mikrostruktur und IML-Morphologie von SAC305 deutlich verändert. Mehrere dieser Veränderungen gelten als günstige Voraussetzungen für eine hohe Zuverlässigkeit von Lötverbindungen“, betont Ingo Lomp.
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