Das Einmaleins von Zinn-Whiskern: Teil 2: Ursachen

Leute,

wir setzen unsere Serie über Zinn-Whisker fort. In meinem letzten Beitrag haben wir darüber gesprochen, was Zinn-Whisker sind. In diesem Beitrag werden wir erläutern, was sie verursacht.

Zinn-Whisker werden hauptsächlich durch Druckspannungen im Zinn verursacht. Die häufigste Ursache dieser Spannungen ist die Diffusion von Kupfer in das Zinn, wie in Abbildung 1a zu sehen ist. Eine solche Diffusion tritt in der Regel auf, wenn Zinn auf Kupfer galvanisiert, geschmolzen oder aufgedampft wird. Kupfer diffundiert bevorzugt in Zinn und verstärkt die Bildung von Zinn-Whiskern.

Abbildung 1. Einige Ursachen für Zinn-Whisker

Zinn-Whisker können ebenfalls dann auftreten, wenn Zinn auf einem Material mit einem niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als Zinn galvanisiert, geschmolzen oder aufgedampft wird, beispielsweise die Legierung 42 oder Keramik. Bei Steigen der Temperatur wird die Ausdehnung des Zinns durch das Material mit dem niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten eingeschränkt. Diese Fehlanpassung verursacht Druckspannungen im Zinn, die wiederum zu Zinn-Whiskern führen können. Siehe Abbildung 1b.
Weniger häufige Ursachen sind Korrosion, wie in Abbildung 1c zu sehen ist, und mechanische Spannungen, wie in Abbildung 1d zu sehen.

Da die Kupferdiffusion eine der wahrscheinlichsten Ursachen von Zinn-Whiskern ist, sollte dieser Mechanismus näher erläutert werden. Das linke Bild in Abbildung 2 zeigt den Mechanismus der Diffusion von Kupfer in Zinn. Der Mechanismus ist so stark, dass die Diffusion des Kupfers oft Hohlräume im Kupfer hinterlässt. Solche Hohlräume werden als Kirkendall-Voids bezeichnet. Das rechte Bild in Abbildung 2 ist eine Röntgenkarte von Kupfer (grün), das in Zinn (schwarz) diffundiert.

Abbildung 2. Kupfer diffundiert in Zinn.

Eine Möglichkeit, ein derartiges Wachstum von Zinn-Whiskern zu minimieren, besteht eindeutig darin, die Diffusion von Kupfer in Zinn zu verhindern. In einem zukünftigen Beitrag werden wir diese und andere Verfahren zur Verringerung von Zinn-Whiskern erläutern.

Danke,

Dr. Ron