Thermophysikalische und mechanische Eigenschaften von Sn-Ag-Cu Nanokompositen

Die Entwicklung neuer bleifreier Lote hat eine lange Geschichte, wo Sn-Ag-Cu (SAC) Legierungen eine wichtige Rolle spielen. Einige physikalisch-chemische Eigenschaften verlangen jedoch nach einer Verbesserung. Speziell die hohe Schmelztemperatur und ein übermäßiges Wachstum intermetallischer Verbindungen gehören zu den unerwünschtesten Eigenschaften und sollten verbessert werden. Gleichzeitig erwecken metallbasierte nanokomposite Legierungen großes Interesse sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der modernen Industrie wegen ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften im Vergleich mit Bulklegierungen. Es ist wohlbekannt, dass die Eigen- schaften von Nanopartikeln größenabhängig sind. Die Erhöhung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen führt zu neuen quantenmechanische Effekten. Die gute chemische Reaktionsfähigkeit und der niedrigere Schmelzpunkt der Nanopartikeln im Vergleich zum Bulk eröffnen neue Wege zur Verbesserung der Materialien. Z.B. verbessert die Zugabe von Nanopartikeln signifikant den Kriech- widerstand, die Härte und andere mechanische Eigenschaften der potentiellen Lote Deshalb haben die mit Nanopartikeln verfeinerten Materialien eine große Reihe potenzieller Anwendungsmöglichkeiten. Anhand der Wechselwirkung zwischen Nanopartikeln und Matrix kann man unterscheiden zwischen reaktiven und inerten Nanopartikeln. Unserer Meinung nach haben reaktive Metallnanopartikeln einige Vorteile. So haben z.B. die meist verwendeten keramischen Nanopartikeln wie Al2O3 und SiO2 eine niedrigere Dichte als die meisten Metalle. Dies könnte nach dem Löten zu einer Segregation der Nanopartikel in der Lötstelle und so zu einer drastischen Änderung der Eigenschaften im Vergleich mit dem Lotmaterial selbst führen. Im Gegensatz dazu sollten sich metallische Nanopartikeln und nanoskopische intermetallische Verbindungen gleichmäßig im Volume verteilen. Außerdem können diese Nano-Einschließungen mit der Matrix reagieren und den Schmelzpunkt des gesamten Nano- komposites herabsetzen. In diesem Fall ist es wichtig, den Betrag von aufgelösten Nanopartikeln zu bewerten und den Einfluss der restlichen Nanopartikeln nach der Erstarrung zu untersuchen. In diesem Sinne soll die vorgeschlagene Arbeit den Einflusses von reaktiven Nanoteilchen auf thermophysikalische Eigenschaften (Viskosität, elektrisches und thermisches Leitfähigkeit und Kontaktwinkel), thermodynamische Eigenschaften (Oberflächenenergie, Oberflächenspannung und Mischungsenthalpie) und die Struktur der Legierung Sn95.5Ag3.8Ag0.7 (SAC 387) untersuchen. Die mechanischen Eigenschaften, die für die Analyse des Einflusses von aktiven Nanopartikeln auf die Eigenschaften von SAC 387 eine wichtige Rolle spielen, sollen im Laufe des Projektes untersucht werden. Zusätzlich sollen in dem vorgeschlagenen Projekt metallische Nanopartikeln und nanoskopische intermetallische Verbindungen über ein chemisches Fällungsverfahren sowie nanostrukturierte intemetallische Verbindungen mit dem Hochdruck-Torsions-Versuch hergestellt werden.

Metallische Nanokomposite sind als Komponenten für viele verschiedene Anwendungen in der Industrie von Interesse. Allerdings gibt es keine allgemeinen Richtlinien für die Herstellung und Entsorgung dieser Materialien. Eine besondere Herausforderung besteht in der Entwicklung von Materialien, die metallische Nanopartikeln beinhalten, aufgrund ihrer hohen chemischen Reaktivität. Andererseits sind bleifreie Nanokomposit-Lote seit über zehn Jahren ein Thema als mögliche neue Generation von Loten für die Elektronikindustrie. Zum Beispiel wird erwartet, dass geringfügige Zugaben von metallischen Nanopartikeln bis zu 2 Gew.% das Gefüge verbessern und die mechanische Zuverlässigkeit der hergestellten Lötverbindungen erhöhen. Das vorliegende Projekt konzentrierte sich auf zwei Hauptthemen: - Verhalten von metallischen Nanopartikeln im bleifreien Lot abhängig von der Temperatur; - Einfluss von metallischen Nanopartikeln auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften der Lötstellen. Um eine sofortige Oxidation der metallischen Nanopartikeln an der Luft zu verhindern, wurden zum ersten Mal Nanopartikeln mit einem Metallkern und einer Oxidhülle verwendet. Diese Nanopartikeln aus Metallkern und Oxidhülle wurden zu diesem Zweck durch ein chemisches Reduktionsverfahren synthetisiert. Es wird erwartet, dass sich eine kleine Menge von metallischen Nanopartikeln während des Reflow-Lötens in dem flüssigen Zinn-Silber-Kupfer (Sn-Ag-Cu; SAC) Lot löst. Die durchgeführten kalorimetrischen Messungen zeigten, dass die Oxidhülle solcher metallischer Nanopartikeln eine entscheidende Rolle bei ihrem Auflösungsverhalten spielt. Die metallischen Nanopartikeln können sich außerdem als nicht-reaktive keramische Nanopartikel verhalten, wenn es keine Austauschreaktion zwischen der Oxidhülle und den Atomen der flüssigen Matrix gibt. Die durchgeführten Untersuchungen der Struktur und verschiedener thermophysikalischer Eigenschaften von flüssigen SAC Nanokompositen zeigten, dass sie sich nach dem Schmelzen über einen gewissen Temperaturbereich in einem inhomogenen Zustand befinden. In einer weiteren Versuchsreihe konnte gezeigt werden, dass der wesentlichste Einfluss von nanoskaligen Einschlüssen auf die Lötstelle bei der Verwendung einer SAC Nanokomposit- Lotpaste mit 0,5 Gew.% Nanopartikeln und bei der Verwendung einer SAC Nanokomposit- Lotfolie mit 0,3 Gew.% Nanopartikeln gefunden wurde. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit, die in Zusammenarbeit mit anderen Forschern erhalten wurden, sollen auch eine Modellierung des Auflösungsprozesses metallischer Nanopartikeln mit und ohne Oxidhülle in einer flüssigen Metallmatrix ermöglichen, soweit es für die Entwicklung von Nanokompositen und ihren möglichen industriellen Einsatz erforderlich ist.