Metallische Verbindungen und Kirkendall-Voids wachsen bei Raumtemperatur weiter

Leute,

mein letzter Beitrag beschäftigte sich mit intermetallischen Verbindungen (IMC) und dem, was ich als das „Wunder des Lötens“ bezeichne. Außerdem erwähnte ich, dass auf die spröde Beschaffenheit von IMCs ausgerichtete Studien vermuten lassen, dass Ausfälle in Belastungstests eher auf Fehler zwischen den Grenzflächen der IMCs und dem Lot, den IMCs und dem Kupfer oder die IMCs (Cu6Sn5 mit Cu3Sn) selbst zurückzuführen und nicht mit der Sprödigkeit der IMCs verbunden sind.

Eine weitere Schwachstelle beim Löten und der Wärmealterung von Lötstellen sind Kirkendall-Voids. Kirkendall-Voids bilden sich, wenn ein Metall schneller in ein anderes Metall diffundiert als umgekehrt. Kupfer-Zinn-Grenzflächen weisen einen derartigen Mechanismus auf. Kupfer diffundiert schneller in Zinn als Zinn in Kupfer. Dieser Mechanismus kann an der Metallgrenzfläche zu tatsächlichen Voids im Kupfer führen. Bitte beachten Sie hierzu die Abbildung unten. Abgesehen von den möglichen Schwachstellen in der Grenzfläche erzeugt die in das Zinn diffundierte übermäßige Kupfermenge Druckspannungen, die Zinn-Whiskers verursachen können.  

Kirkendall-Voids. Quelle: http://www.jfe-tec.co.jp/en/electronic-omponent/case/img/case_solder_02.png

IMCs und Kirkendall-Voids entstehen bei Löttemperaturen recht schnell. Doch sogar bei Raumtemperatur wachsen IMCs und Kirkendall-Voids weiter, wenngleich wesentlich langsamer. Der Grund für dieses fortgesetzte Wachstum besteht darin, dass die Raumtemperatur auf der absoluten Temperatur- oder Kelvinskala einem erheblichen Anteil der Schmelztemperatur von Loten entspricht. Die Schmelztemperatur von SAC beträgt beispielsweise 219 °C, d. h. 492 °K (219+273), während die Raumtemperatur 295 °K beträgt. Die Raumtemperatur entspricht somit 60 % der Strecke bis zum Schmelzpunkt des SAC-Lots (295/492 = 0,60). Vergleichen Sie dies mit Stahl, der bei ca. 1480 °C schmilzt. Der Stahl wäre bei 60 % (780 °C) seines Schmelzpunkts auf der absoluten Skala rot glühend. Da die Raumtemperatur 60 % der Strecke bis zum Schmelzen entspricht, laufen die IMC- und Kirkendall-bildenden Prozesse daher bei Raumtemperatur weiter. Somit wachsen IMCs und Kirkendall-Voids ebenso wie die damit verbundenen Folgen wie beispielsweise Zinn-Whisker weiterhin.

Bleiben Sie dran. Das nächste Mal werden wir zum Abschluss dieser Reihe über IMCs über deren Wachstumsraten und die damit verbundenen Auswirkungen bei Belastungstests sprechen.

Danke,

Dr. Ron