Zwei neue bleifreie Lotlegierungen: Ag-Sn-Bi und Cu-In-Zn

Blei und bleihaltige Verbindungen gehören zu jenen Chemikalien, die eine große Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen. Wenn sich Blei im menschlichen Körper anreichert können verschiedene Krankheiten auftreten. So kann es zu einer Störung im Nervensystem kommen und bei Kinder die geistige und physische Entwicklung hemmen. Daher wird versucht bleihaltige Verbindungen oder Legierungen zu vermeiden. In den gängigen Lotmaterialien ist jedoch Blei enthalten. Diese Blei-Zinn-Lote sind in allen elektronischen Geräten zu finden (Handys, Computer, TV usw.) Die Entsorgung dieser Geräte, oft auf Deponien, ist nicht ganz ungefährlich, da Wasser in Verbindung mit anderen Ionen Blei aus den Legierungen herauslösen kann und Bleiionen in das Grundwasser und weiter in den menschlichen Körper gelangen können. Daher hat sich die Europäische Union entschlossen diese bleihältigen Lötmaterialien ab 2007 zu verbieten. In diesem vorgeschlagenen Forschungsvorhaben möchten wir wir neue Lotmaterialien finden, die nicht nur umweltverträglich sind sondern auch den neuen großen Anforderungen der Elektronikindustrie entsprechen. Wir wollen die temären Systeme Silber-Zinn-Bismuth und Indium-Kupfer-Zink (Ag-Sn-Bi und Cu-In-Zn) untersuchen. An diesen Legierungen sollen die thermodynamischen Daten mit EMKMessungen, DSC und kalorimetrischen Untersuchungen ermittelt werden. Das Oxidationsverhalten wird mit einer Thermowaage untersucht und das Phasendiagramm mit DTAMessungen, Röntgenstreuexperimenten und mit der Microsonde bestimmt. Aus diesen Daten soll mit einem theoretischen Modell die Oberflächenspannung und die Viskosität der Legierungen berechnet werden.. Die Wichtigkeit der Forschung zeigt die Einsetzung einer COST-Aktion bei der EU. Mein Kollege Prof. Ipser und ich haben diese COST-Aktion vorgeschlagen und gestartet. COST 531 wurde am 11. März 2002 in Gang gesetzt. Im Augenblick wollen Wissenschafter von 15 Nationen an diesem Projekt mitarbeiten.

Blei was ein wesentlicher Bestandteil aller Lote, die in der elektrischen und elektronischen Industrie verwendet wurden. Auf Grund der hohen Toxizität von Blei wurden von der EU ab Juli 1006 alle bleihältigen nieder schmelzenden Lotmaterialien verboten. Daher wurde schon 2003 von meinem Kollegen H. Ipser und von mir ein COST Projekt über die Entwicklung von bleifreien Loten vorgeschlagen. COST Projekte sind Projekte der Europäischen Union an denen mindestens fünf Forschungseinrichtungen von fünf verschiedenen Staaten teilnehmen müssen. Die Notwendigkeit eines solchen Forschungsvorhaben zeigte sich, dass über 15 Staaten mit mehr als 40 Forschungseinrichtungen mitgewirkt haben. Meine Forschungsgruppe sollte thermodynamische Daten von Legierungen messen, die als Ersatz für bleifreie Lotmaterialien in Frage kamen. Mit den gemessenen thermodynamischen Daten konnten dann Phasendiagramme, die Benetzung und andere physikalische Eigenschaften berechnet werden. Für die Messungen verwendeten wir verschiedene Methoden: EMK-Messung bei der die elektromotorische Kraft zwischen zwei Elektroden, eine ist ein Reinmetall und die zweite Elektrode eine Legierung, gemessen wird. Aus der Spannung, die dabei entsteht können die thermodynamischen Grössen berechnet werden. Calorimetrische Messungen: bei dieser Messmethode wird die Wärme gemessen, die beim Auflösen von Legierungen auftritt. Die dritte Methode ist eine DSC Messung (Differential Scanning Calorimetry). Auch hier werden Wärmen gemessen. Die wichtigsten Voraussetzungen für Legierungen um als bleifreie Lote verwendet zu werden sind ein Schmelzpunkt um 200C, gute elektrische Leitfähigkeit, Metalle müssen billig und in ausreichender Menge auf dem Weltmarkt erhältlich sein und sie müssen natürlich gesundheitlich unbedenklich sein. Die von uns untersuchten Systeme erfüllen diese Kriterien und eines, das System Al-Sn-Zn wurde von einer japanischen Firma patentiert. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Systeme: Cu-In-Zn, Al-Sn-Zn, Ag-Bi-Sn, Cu-Sn-Zn, Ag-Bi-Sn, Ag-Au-Sn und Bi-In-Zn untersucht. Bei einigen dieser Systeme wurden die gemessen Daten zur Berechnung verschiedener Eigenschaften verwendet.