Lambracht, Petra (2002)
Materialwissenschaftliche Aspekte bei der Entwicklung bleifreier Lotlegierungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen Beitrag zur Entwicklung bleifreier Legierungen, die hochbleihaltige Lote in der Elektronik ersetzen, zu leisten. Durch Recherche in der Literatur, Abschätzungen von Schmelztemperaturen, Extrapolation von binären Phasendiagrammen und thermodynamische Rechnungen wurden mehr als 50 Legierungen auf Al-, Ag-, Mg-, Sn-, Zn- und Bi-Basis aufgrund ihrer Schmelzbereiche ausgewählt. Die vorhergesagten Schmelzbereiche wurden durch DSC-Messungen überprüft. 33 Legierungen wurden hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens durch Stauchversuche untersucht. 10 Legierungen auf Zn- oder Bi-Basis, die eine ausreichenden Verformbarkeit zeigten, konnten zu dünnem Draht stranggepresst werden. Durch Benetzungstests auf verschiedenen Substratmaterialien wurden die Benetzungseigenschaften der verbliebenen Legierungen überprüft. Oxidation verhinderte die Benetzung der Substrate durch Zn-Legierungen. Die verbleibenden Lotverbindungen aus Bi-Legierungen wurden thermischer Ermüdungsbelastung ausgesetzt und auf Ermüdungsrisse untersucht. Dadurch konnte die eutektische Legierung Bi97,4-Ag2,6 als potentielle bleifreie Lotlegierung identifiziert werden. Durch Steigerung des Silbergehalts bis zu 12 Gew.% und Zugabe weiterer Legierungselemente in geringen Mengen wurden die Eigenschaften entsprechend dem komplexen Anforderungsprofil für den Einsatz als Lotlegierung in der Elektronik optimiert. Neben dem technologischen Beitrag zur Entwicklung bleifreier Lotlegierungen wurden im Rahmen dieser Arbeit auch wissenschaftliche Beiträge in zwei verschiedenen Gebieten geleistet: Zum einen wurde eine verzögerte Versprödung des Drahtes aus Zn93-Al6-Ga1 beobachtet. In Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie wurden Veränderungen in der Morphologie und eine starke Anreicherung von Gallium in der Bruchfläche festgestellt. Thermodynamische Rechnungen zeigten, dass bei hohen Temperaturen die Löslichkeit des Zn-Mischkristalls für Gallium hoch ist. Nach dem Strangpressen des Drahtes bei hohen Temperaturen führt das folgende Abkühlen zur Abnahme der Löslichkeit. Es entsteht eine Übersättigung des Zn-Mischkristalls, die durch Diffusion der Galliumatome in die Korngrenze abgebaut wird. Das Gallium schwächt die Bindungskräfte in der Korngrenze und führt so zur Versprödung der Legierung. Die Kinetik dieses Mechanismus konnte mit vereinfachter Geometrie quantitativ beschrieben werden. Der berechnete Zeitrahmen zum Abbau der Übersättigung stimmt mit der beobachteten Versprödung überein. Des weiteren sind im Erstarrungsgefüge der Bi-Ag-Legierungen Instabilitäten sichtbar, die in der Literatur zwar beobachtet, bezüglich ihrer Ursache aber nicht untersucht wurden. Binäre Bi-Ag-Legierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen wurden in Erstarrungsexperimenten mit unterschiedlichen Abkühlraten erstarrt. Die Bildung der Instabilitäten in den Grenzflächen der primär erstarrenden silberreichen Phase wurde im Licht- und Rasterelektronenmikroskop untersucht und die Abmessungen der zellulären Strukturen quantifiziert. Die Ursache für die Bildung der Instabilitäten in Bi-Ag-Legierungen konnte geklärt werden: Die rückläufige Soliduslinie in diesem Legierungssystem führt zu einer Übersättigung der bereits erstarrten Silberphase während der Erstarrung. Diese Übersättigung wird durch lokale Umschmelzprozesse abgebaut. Die Zugabe ternärer Legierungselemente, welche die rückläufige Soliduslinie unterdrücken, verhindert die Bildung der Instabilitäten. Der gefundene Zusammenhang zwischen den Instabilitäten der Grenzflächen in der Erstarrungsmorphologie und der rückläufigen Soliduslinie in diesem System wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal aufgezeigt.

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