Besorgnis über intermetallisches Dickenwachstum in SAC-Lötverbindungen in rauen Betriebsumgebungen

Leute,

die Betriebstemperatur für die Elektronik in einem modernen Automobil kann mehr als 125 ºC betragen. Diese hohen Temperaturen geben Anlass zur Sorge über intermetallisches Wachstum von Kupfer-Zinn in Lötstellen.

Oft denken wir nicht daran, dass selbst die Raumtemperatur ein beträchtlicher Bruchteil der Schmelztemperatur von Zinn ist, z. B. 293K/505K = 0,5802. Bitte denken Sie daran, dass bei diesen Berechnungen die Kelvin-Skala zu verwenden ist. 125 ºC ist jedoch 0,788 des Weges zum Schmelzpunkt von Zinn. Diese Temperatur entspricht der eines Schmiedeeisens mit einer Temperatur von 895 ºC. Abbildung 1 zeigt ein Diagramm der Eisentemperatur einer Schmiede. Beachten Sie, dass 895 ºC mehr als rotglühend ist.

Abbildung 1. Diagramm der Eisentemperatur einer Schmiede

Wie verhält sich nun das intermetallische Kupfer-Zinn-Wachstum des SAC-Lots bei 125 ºC als Funktion der Zeit? Nach dem Fick'schen Diffusionsgesetzwird das Wachstum der intermetallischen Verbindung D durch Gleichung 1 bestimmt:

D = (k(T)t)^0,5

wobei k(T) eine temperaturabhängige Wachstumsgeschwindigkeitskonstante und t die Zeit ist. Siewert und andere[i] führten Experimente durch, in denen D für verschiedene Temperaturen und Zeiten für SAC-Lote gemessen wurde. Ich folge dem Beispiel von Siewert und verwende die Zeit in Stunden. Unter Verwendung der Daten in seinen Abbildungen 2a bis 2c für SAC-Lote konnte ich k in einem Arrhenius-Diagramm darstellen, siehe Abbildung 2.

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Abbildung 2. Das Arrhenius-Diagramm mit den Daten von Siewert

Aus Abbildung 2 ersehen wir, dass Ln k = -6784,7/T + 14,81 oder k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Bei 125 ºC oder 398 ºK ist also k = 0,1068. Mit diesem Wert von k können wir D als Funktion der Zeit aufzeichnen. Die Ergebnisse finden Sie in Abbildung 3. Beachten Sie, dass beide Skalen logarithmisch sind. In 1.000 Stunden (42 Tagen) ist das intermetallische Material um 10 Mikrometer gewachsen. In 3 Jahren erreicht es 53 Mikrometer. Wir sollten vorsichtig sein, denn die Daten von Siewert haben Fehlerbalken. Aber ich glaube, dass diese Projektionen innerhalb eines Faktors von zwei liegen.

 Abbildung 3. Intermetallisches Wachstum als Funktion der Zeit bei 125 ºC in SAC-Loten

Wie wirken sich diese dicken intermetallischen Verbindungen in einer rauen Autoumgebung aus? Das weiß niemand, aber ich würde anregen, dass jemand entsprechende Experimente durchführt, um es herauszufinden. 

Danke,

Dr. Ron