Metallische Verbindungen: Das Wunder des Lötens

Leute,

die meisten Artikel über die während des Lötens gebildeten intermetallischen Kupfer-Zinn-Verbindungen sprechen von diesen als notwendiges Übel. Wobei das Übel darin besteht, dass metallische Verbindungen spröde sind und zu Ausfällen aufgrund von Temperaturwechselbeanspruchungen oder mangelnder Fall- und Stoßfestigkeit führen können.

Ich sehe das allerdings anders. Aus meiner Sicht stellt die Bildung von intermetallischen Kupfer-Zinn-Verbindungen das Wunder des Lötens dar. Betrachten Sie es einmal so: Zur Fertigung von Elektronikbauteilen ist die Verbindung von Kupfer mit Kupfer (die Leitungen der Komponenten mit den Pads an der Leiterplatte) bei Vorhandensein von Polymeren (die Epoxide der Leiterplatten und die Komponentengehäuse) erforderlich. Diese Polymerwerkstoffe können einer Temperatur von ca. 250 °C nur wenige Minuten lang standhalten. Kupfer schmilzt bei 1083 °C. Die Verbindung von Kupfer mit Kupfer bei Vorhandensein von Polymeren kann sich daher als Herausforderung herausstellen. Hier kommt Lot auf Zinnbasis ins Spiel.

Bleifreies Lot (auf Zinnbasis) wie beispielsweise SAC305 schmilzt bei ca. 219 °C. Bei einer Spitzentemperatur von ca. 245 °C im Reflow-Ofen kann das Lot somit schmelzen und eine elektrische und mechanische Verbindung mit dem Kupfer der Leitungen und Pads eingehen. Bei 245 °C werden die vielen Polymerwerkstoffe während der rund 90 Sekunden, die der Lötvorgang bei dieser Temperatur dauert, nicht beeinträchtigt.

Wie steht es jedoch mit den Werkstoffeigenschaften der gebildeten metallischen Verbindungen? Sind sie nicht zu spröde? Lee et al* haben Studien durchgeführt, denen zufolge die beim Löten gebildeten metallischen Verbindungen nicht zu spröde sind. Laut ihrer Arbeit sind die Ausfälle zudem nicht auf die metallischen Verbindungen, sondern auf die Schnittstellen zwischen den metallischen Verbindungen und dem Lot, Kupfer oder verschiedenen metallischen Verbindungen wie Cu3Sn und Cu6Sn5 zurückzuführen. Diese beiden metallischen Verbindungen sind auf der nachstehenden Abbildung dargestellt.

Abb. 2 – metallische Verbindungen an der 
Schnittstelledes Kupfer-Pads und einer Sn-4Ag-0,5Cu
Kugel nach einer Alterung von 32 Tagen bei 150 °C.

Abbildung. Intermetallische Kupfer-Zinn-Verbindungen aus Roubaud et al, „Impact of IM Growth on the Mech. Strength of Pb-Free Assemblies“, APEX 2001.

Lange Zeit wurde davon ausgegangen, dass das Ausfallrisiko aufgrund der Dicke der metallischen Verbindung bei zunehmender Dicke derselben ebenfalls zunimmt. Lees Arbeit scheint dieses Problem infrage zu stellen.

Schauen Sie bald wieder vorbei, um mehr über metallische Verbindungen und deren Auswirkung auf die Zuverlässigkeit zu erfahren.

Update: Es erscheinen weiterhin zahlreiche Artikel über:

1. Roboter, die so viele Menschen arbeitslos machen, dass es zu einer Krise kommen wird
2. Selbstfahrende Fahrzeuge in wenigen Jahren

AUTOMATISIERUNG: Beim Schreiben dieses Beitrags Ende April 2017 haben wir schon gute 100 Jahre Automatisierung überlebt, wenn man die Fertigungslinie von Ford des Jahres 1913 als Startpunkt wählt. Bei Entstehen der Fertigungslinie zählte die Weltbevölkerung 1,8 Mrd. Menschen und die Lebenserwartung in den USA betrug ca. 50 Jahre. Heute leben 7,5 Mrd. Menschen auf der Welt und die US-Lebenserwartung liegt bei beinahe 80 Jahren. Ich möchte die Herausforderungen einer kontinuierlichen Automatisierung nicht herunterspielen. Wir leben jedoch in einer der wenigen Epochen, in der das Übergewicht und nicht die Unterernährung einen Risikofaktor darstellt, selbst in vielen Entwicklungsländern. Dieser Überschuss und die Gesundheit sind der Automatisierung und der Wissenschaft zu verdanken. Natürlich wird es Beeinträchtigungen geben, ich sehe jedoch keinen Grund, warum dieser positive Trend nicht fortdauern sollte.

SELBSTFAHRENDE FAHRZEUGE: Das Problem liegt in der Definition. Damit selbstfahrende Pkw und Lkw wirklich zu einer einschneidenden Veränderung führen, müssen sie vollkommen ohne die Hilfe eines Menschen auskommen. Solange menschliche Eingriffe erforderlich sind, muss ein Mensch am Steuer sitzen. Wenn ein Lkw somit während 1 % der Zeit die Hilfe eines Menschen benötigt, ist weiterhin ein Lkw-Fahrer erforderlich. Ich freue mich schon auf die vielen Vorteile, die uns selbstfahrende Fahrzeuge im Laufe der Zeit bringen werden, denke jedoch, dass Pkws ohne Lenkräder und Gaspedale noch Jahrzehnte entfernt sind.

Danke,

Dr. Ron