Das Nickel-Phosphor-Zinn Zustandsdiagramm

Als gängige Praxis in der Elektronik werden Cu und Al Kontakte für Lotverbindungen mit einer dünnen Ni-P Schicht geschützt. Diese Schicht wird in der Regel wegen ihrer überlegenen Eigenschaften verwendet (ausgezeichnete Lötbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, einheitliche Dicke, usw.). Der P-Gehalt in der Schicht ergibt sich aus dem Abscheidungsprozess: "Electroless Nickel" wird durch Reduktion aus wässrigen Nickelsalzlösungen mittels Phosphonsäure oder Phosphonaten abgeschieden, was zum Einschluss von etwa 5 bis 15 Gew.% P führt. In der Folge enthalten auch die intermetallischen Verbindungen, die sich beim Lötprozess selbst (mit Loten auf Zinnbasis) bilden, variable Mengen an P, und es ist klar, dass ihre Zusammensetzung einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Lotverbindungen und damit auf deren Verlässlichkeit hat. Obwohl das Gefüge und die Wachstumskinetik in solchen Lotverbindungen mehrfach untersucht worden sind, gibt es keinerlei systematische Studie bezüglich der Phasengleichgewichte im ternären System Ni-P-Sn, die ein Verständnis der ablaufenden Reaktionen ermöglichen würden. Die Kenntnis dieses Zustandsdiagramms ist von noch größerer Bedeutung, wenn man bedenkt, dass alle zukünftigen Lote Sn als Hauptbestandteil enthalten werden, unabhängig von anderen Zusätzen. Es wird daher vorgeschlagen, die Phasengleichgewichte und einige thermochemische Eigenschaften im ternären System Ni-P-Sn experimentell zu untersuchen und eine thermodynamische Optimierung des Phasendiagramms mit der erprobten CALPHAD-Methode durchzuführen. Zur Erstellung einer Serie von isothermen Schnitten (200, 500, 750C) sollen Röntgen-Pulverbeugungsmethoden und eine Elektronenstrahl-Mikrosonde verwendet werden, gemeinsam mit der Untersuchung von Diffusionspaaren. Thermische Analysen werden zur Bestimmung von Umwandlungs- und Schmelztemperaturen in einer Reihe von horizontalen Schnitten ("Isoplethen") eingesetzt, wobei als Endresultat eine Schmelzoberfläche und ein Scheil-Diagramm mit den invarianten Reaktionstemperaturen vorliegen soll. Zur Bestimmung von Bildungsenthalpien fester Verbindungen und von Mischungsenthalpien flüssiger Legierungen sollen kalorimetrische Methoden eingesetzt werden, zusätzlich soll versucht werden, Phosphordampfdrucke im binären system Ni-P und in Teilbereichen des ternären Systems Ni-P-Sn mittels einer isopiestischen Methode zu messen. Alle experimentellen Daten, Phasengleichgewichte und thermodynamische Eigenschaften, sollen in eine thermodynamische Optimierung des ternären Systems Ni-P-Sn mittels der CALPHAD-Methode einfließen, die zu einem konsistenten Zustandsdiagramm führen wird. Dieses Forschungsprojekt ist als Beitrag zur europäischen COST-Aktion 531 ("Lead-free Solder Materials") gedacht.

Als gängige Praxis in der Elektronik werden Cu und Al Kontakte für Lotverbindungen mit einer dünnen Ni-P Schicht geschützt. Diese Schicht wird in der Regel wegen ihrer überlegenen Eigenschaften verwendet (ausgezeichnete Lötbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, einheitliche Dicke, usw.). Der P-Gehalt in der Schicht ergibt sich aus dem Abscheidungsprozess: "Electroless Nickel" wird durch Reduktion aus wässrigen Nickelsalzlösungen mittels Phosphonsäure oder Phosphonaten abgeschieden, was zum Einschluss von etwa 5 bis 15 Gew.% P führt. In der Folge enthalten auch die intermetallischen Verbindungen, die sich beim Lötprozess selbst (mit Loten auf Zinnbasis) bilden, variable Mengen an P, und es ist klar, dass ihre Zusammensetzung einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Lotverbindungen und damit auf deren Verlässlichkeit hat. Obwohl das Gefüge und die Wachstumskinetik in solchen Lotverbindungen mehrfach untersucht worden sind, gibt es keinerlei systematische Studie bezüglich der Phasengleichgewichte im ternären System Ni-P-Sn, die ein Verständnis der ablaufenden Reaktionen ermöglichen würden. Die Kenntnis dieses Zustandsdiagramms ist von noch größerer Bedeutung, wenn man bedenkt, dass alle zukünftigen Lote Sn als Hauptbestandteil enthalten werden, unabhängig von anderen Zusätzen. Es wird daher vorgeschlagen, die Phasengleichgewichte und einige thermochemische Eigenschaften im ternären System Ni-P-Sn experimentell zu untersuchen und eine thermodynamische Optimierung des Phasendiagramms mit der erprobten CALPHAD-Methode durchzuführen. Zur Erstellung einer Serie von isothermen Schnitten (200, 500, 750C) sollen Röntgen-Pulverbeugungsmethoden und eine Elektronenstrahl-Mikrosonde verwendet werden, gemeinsam mit der Untersuchung von Diffusionspaaren. Thermische Analysen werden zur Bestimmung von Umwandlungs- und Schmelztemperaturen in einer Reihe von horizontalen Schnitten ("Isoplethen") eingesetzt, wobei als Endresultat eine Schmelzoberfläche und ein Scheil- Diagramm mit den invarianten Reaktionstemperaturen vorliegen soll. Zur Bestimmung von Bildungsenthalpien fester Verbindungen und von Mischungsenthalpien flüssiger Legierungen sollen kalorimetrische Methoden eingesetzt werden, zusätzlich soll versucht werden, Phosphordampfdrucke im binären system Ni-P und in Teilbereichen des ternären Systems Ni-P-Sn mittels einer isopiestischen Methode zu messen. Alle experimentellen Daten, Phasengleichgewichte und thermodynamische Eigenschaften, sollen in eine thermodynamische Optimierung des ternären Systems Ni-P-Sn mittels der CALPHAD-Methode einfließen, die zu einem konsistenten Zustandsdiagramm führen wird. Dieses Forschungsprojekt ist als Beitrag zur europäischen COST-Aktion 531 ("Lead-free Solder Materials") gedacht.