Größeneinfluss, Miniaturisierung von SnInAg Lotverbindungen

Für die Entwicklung neuer weiter miniaturisierter mikroelektronischer Bauteile, die unterhalb von 150C ihre Anwendung finden (Konsumentenelektronik, Telekommunikation, kommerzielle Luftfahrttechnik, Computer), wäre die gemeinhin vorgeschlagene Ersetzung der Pb-Sn-Eutektika als Lotmaterialien durch Sn-Ag oder Sn-Ag-Cu Eutektika auf Grund der um etwa 40C erhöhten Schmelztemperatur hinderlich. Das Forschungsprojekt setzt sich zum Ziel, die Verwendbarkeit von Sn-Ag-In, das diesen Nachteil wegen der niedrigeren Schmelztemperatur nicht aufweist, für miniaturisierte Lötstellen mit Methoden zu untersuchen, die ein Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse mit der praxisnahen Prüfung der thermomechanischen Stabilität verbinden. Insbesondere soll die Ausbildung und Entwicklung metastabiler und stabiler intermetallischer Phasen an Grenzflächen mit Cu, Au, Ni, Pd untersucht werden und thermische und elastische Kennwerte ermittelt werden. Durch die Miniaturisierung werden alle geometrischen Abmessungen der Lötstellen verkleinert. Eine Verkleinerung des Lötspalts reduziert das Volumsverhältnis zwischen duktilem Lot und den spröden intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche und wirkt sich so auf das Festigkeitsverhaltenaus. Die gleichzeitige Reduktion des typischen Durchmessers in den Mikrometerbereich hinein läßt eine Erhöhung der Rißanfällgkeit erwarten. Im Rahmen diese Projekts werden innovative Messmethoden für Proben in Abmessungen, wie sie technisch auftreten, zur Bewertung der Verlässlichkeit miniaturisierter Lötstellen vorgestellt.

Das Projekt war ein Beitrag zu zwei europäischen Forschungsaktionen (COST 531: "Lead-free Solder Materials"; COST MP0602: "High Temperature Solders"). Ausgangspunkt waren zwei Verordnungen der EU, nämlich RoHS und WEEE, welche am 1. Juli 2006 in Kraft getreten sind. Mit ihnen wurde die Verwendung von Blei und bleihaltigen Loten in Elektro- und elektronischen Geräten innerhalb der EU verboten (wobei weltweit mehrere andere Länder mit ähnlicher Gesetzgebung folgten), wenn auch einige Ausnahmeregelungen gewährt wurden. Trotz der Entwicklung von verschiedenen bleifreien Lötmaterialien im Verlauf der letzten 15 bis 20 Jahre, meist aus Zinn mit geringen Zusätzen von Silber und/oder Kupfer und/oder Indium, waren viele ihrer Eigenschaften nur unvollständig bekannt, darunter verschiedene mechanische Eigenschaften, die für die Verlässlichkeit eine wesentliche Rolle spielen. Insbesondere war nicht wirklich klar, wie sich das Verhalten von echten Lotverbindungen bei fortwährender Verkleinerung - als Folge der anhaltenden Miniaturisierung in der Elektronik - ändern würde. Sehr bald wurde offensichtlich, dass Indium niemals ein Bestandteil von Standardloten sein würde, und zwar wegen seiner Knappheit und dem drastischen Preisanstieg auf dem Weltmarkt. Daher konzentrierten sich die Experimente auf Standardlote aus Zinn und 3,5% Silber, um mehr über die Änderung der mechanischen Eigenschaften mit der Größe von Lotverbindungen mit Kupfer und Nickel-Substraten zu erfahren. Wie eindeutig gezeigt werden konnte, werden Lotverbindungen merklich fester wenn ihre Größe von etwa 1 mm auf 50 m oder weniger verringert wird; sie werden jedoch gleichzeitig auch wesentlich spröder. Dieser Effekt war von hartgelöteten Verbindungen als "constraint effect" bekannt; er wurde sowohl in Zug- als auch in Scherversuchen nachgewiesen, ein ähnlicher Effekt wurde auch in Versuchen zur Spannungsrelaxation gefunden. Natürlich wird so ein Verhalten zu Problemen mit verringerter Verlässlichkeit führen, insbesondere bei kleinen tragbaren elektronischen Geräten, die häufig einer mechanischen Stoßbelastung ausgesetzt sind. Gegen Ende des Projekts wurde noch untersucht, ob die in der Industrie üblichen Fallversuche zur Bestimmung der Stoßfestigkeit durch einen Ultraschall-Resonanztest ersetzt werden könnten, welcher diese Prüfung wesentlich beschleunigen würde. Erste Versuche waren äußerst vielversprechend und werden mit Sicherheit weitergeführt werden. Die mechanischen Untersuchungen wurden begleitet von einer thermochemischen Charakterisierung verschiedener möglicher Lötmaterialien und Lot/Substrat-Kombinationen. Die entsprechenden Resultate werden in eine große Datenbank eingefügt, die derzeit im Rahmen der COST-Aktion MP 0602 aufgebaut wird.