Materialwissenschaftliche Aspekte bei der Entwicklung bleifreier Lotlegierungen

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen Beitrag zur Entwicklung bleifreier Legierungen, die hochbleihaltige Lote in der Elektronik ersetzen, zu leisten. Durch Recherche in der Literatur, Abschatzungen von Schmelztemperaturen, Extrapolation von binaren Phasendiagrammen und thermodynamische Rechnungen wurden mehr als 50 Legierungen auf Al-, Ag-, Mg-, Sn-, Zn- und Bi-Basis aufgrund ihrer Schmelzbereiche ausgewahlt. Die vorhergesagten Schmelzbereiche wurden durch DSC-Messungen uberpruft. 33 Legierungen wurden hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens durch Stauchversuche untersucht. 10 Legierungen auf Zn- oder Bi-Basis, die eine ausreichenden Verformbarkeit zeigten, konnten zu dunnem Draht stranggepresst werden. Durch Benetzungstests auf verschiedenen Substratmaterialien wurden die Benetzungseigenschaften der verbliebenen Legierungen uberpruft. Oxidation verhinderte die Benetzung der Substrate durch Zn-Legierungen. Die verbleibenden Lotverbindungen aus Bi-Legierungen wurden thermischer Ermudungsbelastung ausgesetzt und auf Ermudungsrisse untersucht. Dadurch konnte die eutektische Legierung Bi97,4-Ag2,6 als potentielle bleifreie Lotlegierung identifiziert werden. Durch Steigerung des Silbergehalts bis zu 12 Gew. % und Zugabe weiterer Legierungselemente in geringen Mengen wurden die Eigenschaften entsprechend dem komplexen Anforderungsprofil fur den Einsatz als Lotlegierung in der Elektronik optimiert. Neben dem technologischen Beitrag zur Entwicklung bleifreier Lotlegierungen wurden im Rahmen dieser Arbeit auch wissenschaftliche Beitrage in zwei verschiedenen Gebieten geleistet: Zum einen wurde eine verzogerte Versprodung des Drahtes aus Zn93-Al6-Ga1 beobachtet. In Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie wurden Veranderungen in der Morphologie und eine starke Anreicherung von Gallium in der Bruchflache festgestellt. Thermodynamische Rechnungen zeigten, dass bei hohen Temperaturen die Loslichkeit des Zn-Mischkristalls fur Gallium hoch ist. Nach dem Strangpressen des Drahtes bei hohen Temperaturen fuhrt das folgende Abkuhlen zur Abnahme der Loslichkeit. Es entsteht eine Ubersattigung des Zn-Mischkristalls, die durch Diffusion der Galliumatome in die Korngrenze abgebaut wird. Das Gallium schwacht die Bindungskrafte in der Korngrenze und fuhrt so zur Versprodung der Legierung. Die Kinetik dieses Mechanismus konnte mit vereinfachter Geometrie quantitativ beschrieben werden. Der berechnete Zeitrahmen zum Abbau der Ubersattigung stimmt mit der beobachteten Versprodung uberein. Des weiteren sind im Erstarrungsgefuge der Bi-Ag-Legierungen Instabilitaten sichtbar, die in der Literatur zwar beobachtet, bezuglich ihrer Ursache aber nicht untersucht wurden. Binare Bi-Ag-Legierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen wurden in Erstarrungsexperimenten mit unterschiedlichen Abkuhlraten erstarrt. Die Bildung der Instabilitaten in den Grenzflachen der primar erstarrenden silberreichen Phase wurde im Licht- und Rasterelektronenmikroskop untersucht und die Abmessungen der zellularen Strukturen quantifiziert. Die Ursache fur die Bildung der Instabilitaten in Bi-Ag-Legierungen konnte geklart werden: Die rucklaufige Soliduslinie in diesem Legierungssystem fuhrt zu einer Ubersattigung der bereits erstarrten Silberphase wahrend der Erstarrung. Diese Ubersattigung wird durch lokale Umschmelzprozesse abgebaut. Die Zugabe ternarer Legierungselemente, welche die rucklaufige Soliduslinie unterdrucken, verhindert die Bildung der Instabilitaten. Der gefundene Zusammenhang zwischen den Instabilitaten der Grenzflachen in der Erstarrungsmorphologie und der rucklaufigen Soliduslinie in diesem System wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal aufgezeigt.