Thermodynamik bleifreier Hochtemperaturlötsysteme

Blei und bleihaltige Legierungen werden als giftig und umweltschädlich erachtet. Daher wurden in der EU und Teilen Asiens Gesetzte verabschiedet, die den Einsatz von Blei in Elektro- und Elektronikprodukten verbieten. Es gibt jedoch noch immer viele Ausnahmen für Anwendungen, bei denen die Suche nach Ersatz für Bleilote auf ernsthafte Schwierigkeiten stößt. Solch ein Anwendung ist beispielsweise das "Hochtemperaturlöten" bei etwa 230 - 350 C. Die Hauptanwendung dieser Lötmethode in der Elektronikindustrie findet man bei "advanced packing technologies", z.B. "die-attach" und BGA (Ball Grid Array) solder spheres, oder "chip scale package" und "multi chip modeling". In Anbetracht der in Frage kommenden Legierungen (siehe "formloser Antrag") und häufig eingesetzter Kontaktmaterialien (Cu, Ni, Ag, Au), wurden die Legierungssysteme Cu-Ni-Sn, (Ag,Au,Cu)-Sb-Sn, Au-Sn sowie Ga-Ni und Bi-Ni zur Untersuchung in diesem Projekt ausgewählt. Grundlagenwissen über die thermodynamischen Eigenschaften wie z.B. Phasengleichgewichte, Diffusionsverhalten oder Thermochemie dieser und entsprechender übergeordneter Systeme ist wesentlich für die systematische Entwicklung bleifreier Lote. Die oben erwähnten intermetallischen Legierungssysteme werden mittels Röntgenstrukturanalyse, Thermoanalyse, Metallographie und Kalorimetrie untersucht. Thermodynamische Berechnungen nach der CALPHAD Methode werden zur Überprüfung der Übereinstimmung unserer Ergebnisse und der Literaturdaten eingesetzt. Die gleichzeitige Durchführung von Experimenten und Berechnungen wird auch den Versuchaufwand reduzieren. Letztlich soll ein Beitrag zu einer Datenbank geschaffen werden, wobei die bewährten CALPHAD Methoden für die Aufstellung und Präsentation der experimentellen Daten dienen. Dies gestattet die einfache Erweiterung der thermodynamischen Berechnungen zu Systemen höherer Ordnung. Innerhalb der COST-531 Action, die in den Jahren 2002-2007 lief, wurde solch eine Datenbank für Lötanwendungen bei 180 - 240 C erstellt. Die darauf folgende COST-602 Action, welche von unserem Kooperationspartner A. Kroupa initiiert worden war, begann im Jahre 2007. Sie beschäftigt sich mit Hochtemperaturloten und ein wichtiges Ziel ist auch hier, eine entsprechende thermodynamische Datenbank zu erstellen. Darum werden die Ergebnisse des vorliegenden Projektes ein wertvoller Beitrag innerhalb von COST-602 sein.

Produktions- und Entsorgungsrichtlinien für elektronische Geräte gehen seit Jahren dahin bleihaltige Lote zu verbieten. Im Gegensatz zu Tieftemperaturweichloten gibt es bei Hochtemperaturweichloten noch zu wenige geeignete bleifreie Ersatzmaterialien. Um solche auf gezielte und systematische Weise zu finden ist die Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften relevanter Werkstoffsysteme als Grundlage erforderlich. Die experimentelle thermodynamische Untersuchung von binären und ternären metallischen Werkstoffsystemen, die in Bezug zu bleifreien Loten stehen, konnte in diesem Projekt erfolgreich vorangetrieben werden. Dies umfasst die Erstellung von Phasendiagrammen und die Bestimmung thermochemischer Größen wie z.B. die Bildungsenthalpie oder Wärmekapazität verschiedener Phasen. Unser Hauptaugenmerk galt Ni-Zn und Ni-Sn-Zn aber auch Systeme wie Cu-Sn-Zn, In-Ni-Sn, Ni-Sb-Sn und einige weitere wurden untersucht. Die dabei gewonnenen Daten sind entscheidend für eine hochwertige thermodynamische Beschreibung der Legierungssysteme als Basis zur Berechnung von Phasendiagrammen, des Diffusionsverhaltens oder der Simulation der Erstarrungsvorgänge. Eine weitreichende Zusammenarbeit mit anderen Forschern auf diesem Gebiert erfolgte innerhalb der COST-Action MP0602 High-temperature lead-free solders. Die meisten Resultate wurden bereits in angesehenen, referierten Zeitschriften publiziert. Sie werden einen wichtigen Beitrag zur systematischen, computergestützten Entwicklung von neuen, bleifreien Hochtemperaturweichloten leisten.