Silber-Indium-Zinn: Welchselwirkung mit Palladium

Die Reaktion von Silber-Indium-Zinn-Legierungen (als mögliche bleifreie Lote) mit Palladium (als mögliches Substrat in integrierten Schaltkreisen) wird untersucht und die ent-sprechenden Reaktionsprodukte identifiziert. Elektrische Eigenschaften und Festigkeit der entstehenden Lötverbindungen werden getestet. Auf Grund der Toxizität von Blei müssen die derzeit in der Elektronik verwendeten Blei-Zinn-Lote durch bleifreie Materialien ersetzt werden. Die beste Alternative sind derzeit Legierungen auf der Basis von Zinn mit Silber und/oder Kupfer. Die entsprechenden Schmelztemperaturen liegen jedoch mehr als 30 höher als für die traditionellen Blei-Zinn-Lote (183C), was Probleme für die Lötautomaten in der Industrie, aber auch für die elektronischen Bauteile selbst schafft. Folglich wurden verschiedene Zusätze zur Ernied-rigung der Schmelztemperatur vorgeschlagen, unter ihnen Indium mit einem Schmelz-punkt von 156,6C. Die Qualität und Verlässlichkeit von Lötverbindungen hängt von den Reaktionsprodukten ab, die beim Lötprozess entstehen. Da u.a. Palladium als Metallisierung in der Produktion von integrier-ten Schaltkreisen verwendet wird, ist die Kenntnis der Produkte wichtig, die bei der Reaktion von Ag-In-Sn-Loten mit Pd-Substraten entstehen. Im vorgeschlagenen Forschungs-projekt soll das Zustandsdiagramm des vierkomponentigen Legierungssy-stems Ag- In-Pd-Sn untersucht werden, um die möglichen Reaktionsprodukte zu identifi-zieren. Die Zustandsdiagramme der begrenzenden Zweistoffsysteme und der Dreistoffsy-steme Ag-In-Sn und Ag-Pd-Sn werden aus der Literatur übernommen, die beiden anderen ternären Zustandsdiagramme Ag-In-Pd und In-Pd-Sn sollen ebenfalls experimentell unter-sucht werden. Als experimentelle Methoden stehen thermische Analysen, Röntgenbeu-gung und die Elektronenstrahl-Mikrosonde zur Verfügung. Zusammen mit den experimentellen Untersuchungen wird eine Optimierung der beiden Dreistoff- und des Vierstoffsystems an Hand der bewährten CALPHAD-Methode (CALculation of PHase Diagrams) durchgeführt. Mit Hilfe dieser Optimierung werden die thermochemischen Eigen-schaf-ten der entsprechenden Legierungssysteme in Parameter-form gebracht, die eine Berech-nung der Zustandsdiagramme erlaubt. Entsprechende thermochemische Größen, die sich für diese Opti-mierung als nützlich bzw. notwendig erweisen sollten, werden experimentell bestimmt, und zwar unter Verwendung einer EMK-Methode und verschiedener kalorimetrischer Methoden. Schließlich werden die elektrischen Eigenschaften von Al-In-Sn- und von Ag-In-Pd-Sn-Legie-rungen (als Modell für tatsächliche Lötverbindungen) untersucht, und die Festigkeit und Verläss-lichkeit von Modelllegierungen sowie von tatsächlichen Lötverbindungen wird getestet.

Als Folge der beiden Verordnungen der Europäischen Union, RoHS (Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment) und WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment), ist innerhalb der EU seit 1. Juli 2006 die Verwendung von Blei in Elektro- und Elektronikgeräten nicht mehr erlaubt. Dies machte die Entwicklung neuer bleifreier Lötmaterialien als Ersatz für die traditionellen Zinn-Blei-Lote notwendig. Neben Zinn-Silber, Zinn-Kupfer und Zinn-Silber-Kupfer, die häufig als Ersatz verwendet werden, erschienen Zinn-Silber-Indium-Legierungen als mögliche Alternative, insbesondere weil ihre Schmelztemperatur durch Variation der Zusammensetzung auf ähnliche Werte eingestellt werden kann wie jene der traditionellen Zinn-Blei Lote. In diesem Projekt sollten die Reaktionsprodukte herausgefunden werden, welche bei der Reaktion solcher Lote mit palladiumhaltigen Kontakten entstehen, bzw. sollten einige Eigenschaften der Lote und ihrer möglichen Reaktionsprodukte bestimmt werden. Mit den erhaltenen Ergebnissen kann nun ein Teil dieser Fragen beantwortet werden. So wurden etwa die sogenannten Zustandsdiagramme der Dreistoffsysteme Silber+Indium+Palladium und Indium+Palladium+Zinn aufgeklärt, welche den Zustand einer entsprechenden Legierung - abhängig von Zusammensetzung und Temperatur - beschreiben. Zusätzlich wurde eine Reihe von thermochemischen Größen (z.B. Mischungswärmen flüssiger Legierungen) bestimmt, und zwar für Zweistoff- und Dreistofflegierungen aus den Elementen Silber, Indium, Palladium und Zinn, aber auch für die gesamte Vierstofflegierung. Diese Größen wurden in eine europäische Datenbank eingebracht (COST 531 Thermodynamic Database), welche für die Teilnehmer an der gemeinsamen Forschungsaktion (COST 531, "Bleifreie Lötmaterialien") zugänglich ist. Mit Hilfe der Datenbank kann man optimierte Zustandsdiagramme für praktisch alle Zweistoff- und Dreistoff-Legierungssysteme aus den enthaltenen Metallen berechnen, man kann aber auch auf die Zustandsdiagramme von mehrkomponentigen Legierungssystemen extrapolieren. Aus dem entsprechend extrapolierten Vierkomponentensystem Silber-Indium-Palladium-Zinn ist es dann möglich, die intermetallischen Verbindungen zu bestimmen, die sich bei der Reaktion von Zinn-Silber- Indium-Loten mit palladiumhältigen Kontakten ausbilden. Des Weiteren wurde eine Reihe von wichtigen Eigenschaften der Zinn-Silber-Indium-Lote sowie von Muster- Lötkontakten bestimmt, darunter z.B. einige mechanische Eigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit der Lote und ihr Benetzungsverhalten.