Lote und Lotverbindungen aus Nano-Compositen

Mit der Einführung neuer bleifreier Lote, hauptsächlich auf Basis von Sn-Ag, Sn-Cu oder Sn-Ag-Cu (SAC) Legierungen, ist die Frage nach der Zuverlässigkeit von elektronischen Bauteilen erneut in den Mittelpunkt gerückt. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Lotverbindungen wurde in jüngster Vergangenheit die Verwendung von Verbundmaterialien mit mikro- oder nanoskopischen Teilchen als Verstärkung für Lote untersucht. In einigen Fällen konnte klar gezeigt werden, dass dies zu einer Verbesserung der mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften führte. Andererseits gaben die höheren Schmelztemperaturen der derzeit verwendeten bleifreien Lote Anlass zur Sorge, da diese eine höhere thermische Belastung von Platine und sämtlichen elektronischen Bauteilen bedeuten. Aus diesem Grund wurden "Nanolote" in Betracht gezogen, da der Nanoeffekt zu einer Erniedrigung der Schmelztemperatur führt, wohingegen die erstarrte Lotverbindung wieder die ursprüngliche höhere Schmelztemperatur zeigt. Um die beiden vorteilhaften Effekte zu verknüpfen, wird hier die Herstellung von nanostrukturierten Nanokompositen als Lotmaterialien sowie die Untersuchung von einigen ihrer Eigenschaften vorgeschlagen. In einem ersten Schritt werden nanostrukturierte SAC Lote über ein chemisches Reduktionsverfahren aus wässriger Lösung unter Verwendung von Natriumboranat (NaBH 4 ) als Reduktionsmittel hergestellt. Diese "Nanolote" sollen mittels Röntgenbeugung, Raster-Elektronenmikroskopie und Differenz- Thermoanalyse (DTA) ausführlich charakterisiert werden. In einem separaten Schritt ist die Herstellung von Kobalt-Nanoteilchen mit einem analogen chemischen Reduktionsverfahren vorgesehen. Auch diese sollen entsprechend charakterisiert werden. Diese Nanoteilchen sollen dann mechanisch mit den "Nanoloten" vermischt werden, wobei Größe und Menge der Nanoteilchen variiert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt soll dann auch nach einer Synthesemethode gesucht werden, um die "Nanolote" mit den verstärkenden Nanopartikeln eventuell in- situ herzustellen. Außerdem ist geplant, auch andere Arten von Nanopartikeln (Ni, Ta, Mo) durch chemische Reduktion herzustellen und als Verstärkung in den "Nanoloten" zu testen. Die so erhaltenen Lote werden dann zur Herstellung von Modell-Lotverbindungen mit Kupfer als Kontaktmaterial verwendet. Diese werden bei verschiedenen Temperaturen ausgelagert und danach in Bezug auf ihr Gefüge charakterisiert, abhängig von Temperatur und Zeitdauer des Auslagerns. Sie werden ausführlich auf ihre mechanischen und thermo- mechanischen Eigenschaften untersucht, und zwar als Funktion von Art des Lots, von Art, Größe und Konzentration der verstärkenden Nanoteilchen, und von Temperatur und Zeitdauer des Auslagerns. Wir hoffen, auf diese Weise ein neues Lötmaterial mit eindeutig verbesserten Eigenschaften herstellen zu können.

Mit 1. Juli 2006 trat die sogenannte RoHS1-Verordnung der Europäischen Union in Kraft, mit der eine Reihe von problematischen Bestandteilen aus dem Elektronikschrott verbannt werden sollte. Seither ist auch Blei (mit einigen begründeten Ausnahmen) als Bestandteil von Lötmaterialien verboten. Allerdings schmelzen die entsprechenden bleifreien Lote (meist Zinn- Legierungen mit etwas Silber und/oder Kupfer) um nahezu 40 Grad höher als die früher verwendeten Zinn-Blei-Legierungen, was zu einer höheren thermischen Belastung der elektronischen Bauteile beim Lötvorgang führt. Als eine mögliche Lösung wird die Verwendung von Nanoloten diskutiert, d.h. von Lötlegierungen, die aus nanoskopisch kleinen (kleiner als ca. 0,00002 mm) Kristalliten bestehen, welche bekannter Weise bei merklich niedrigeren Temperaturen schmelzen, wobei die Schmelztemperatur von der Teilchengröße abhängt.Im vorliegenden Projekt wurde die Synthese von Zinn-Silber-Kupfer Nanoloten (SAC 387; Zinn mit 3,8 % Silber und 0,7 % Kupfer) durch chemische Reduktion aus wässrigen Lösungen optimiert, wobei die Teilchengröße durch Änderung der Synthesebedingungen variiert werden konnte. Es zeigte sich, dass die Hauptmenge der Teilchen einen metallischen Kern aus Zinn besaß, der von einer Hülle aus amorphem Zinnhydroxid umgeben war, welches sich letztlich beim Erhitzen auf 300-400C in Zinn und Zinndioxid umwandelte. Diese Nanolote wurden mit Hilfe von Flussmitteln zu Lötpasten verrührt und für das Löten von Modellkontakten mit Kupfer verwendet. Dabei behinderte die beschriebene Hülle aus Zinnoxid/Zinnhydroxid die Ausbildung von stabilen Lötkontakten. Erst ein vorgeschalteter Reinigungs- und Reduktionsprozess der Nanoteilchen in saurer wässriger Lösung führte zu Lötpasten, die auch verlässliche Lötkontakte ergaben, in ihren Eigenschaften durchaus vergleichbar mit solchen, die mit kommerziellen Lötpasten hergestellt worden waren.Das Schmelzverhalten der interessierenden Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen konnte als Funktion der Teilchengröße mit Hilfe von semiempirischen Modellrechnungen ermittelt werden, und zwar nicht nur im Konzentrationsbereich der Nanolote selbst sondern über den gesamten Konzentrationsbereich des Legierungssystems Zinn-Silber-Kupfer.In einer weiteren Versuchsreihe wurden Nanolegierungen aus Zinn, Zink und Kupfer hergestellt und charakterisiert, die eventuell von industriellem Interesse sein könnten.In einer internationalen Kooperation wurden die Eigenschaften von Lötkontakten untersucht, die aus Lötpasten, verstärkt mit Oxid-Nanopartikeln, hergestellt wurden. Dabei konnte der Einfluss der Konzentration dieser Nanopartikeln auf die Qualität der Lötkontakte bestimmt werden. Außerdem gelang es mit Hilfe kalorimetrischer Experimente, die zusätzliche Energie zu messen, die Nanoteilchen auf Grund ihrer größeren Gesamtoberfläche besitzen.