Thermomechanisch stabile Lötverbindungen Oberflächen- und Volumendesign von Lötwerkstoffen

Lötverbindungen sind ein Werkstoffverbund mit geometrischen und unvermeidbaren metallurgischen Kerben und extrem heterogenen Eigenschaften. Ein Ansatz, die thermomechanischen Eigenschaften von Lötverbindungen zu verbessern, sind das Oberflächen- und Volumen-Design des Löt-Grundwerkstoffes, Löt-Zusatzwerkstoffes und Lötgutes.

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Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Konventionelle Schmelzlötverbindungen werden zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit vorzugsweise als Überlapp- oder Einsteckverbindungen mittels Fertigloten gefertigt. In der Elektronikindustrie wird aus wirtschaftlichen Gründen ein „Grundwerkstoff-Zusatzwerkstoff-System“ verwendet, das auch zur Ausbildung von eigentlich unerwünschten intermetallischen Übergangsphasen führt. Damit stellen die Lötverbindungen einen Werkstoffverbund mit geometrischen und unvermeidbaren metallurgischen Kerben dar, der sich durch ein extrem heterogenes Eigenschaftsfeld auszeichnet.

Die mögliche Schädigung von porenfreien Schmelzlötverbindungen unter Betriebsbedingungen beginnt oft mit Rissbildung im Bereich der geometrischen Kerbe, d. h. also in den Hohlkehlen. Bei weiterer insbesondere thermo-mechanischer Wechselbeanspruchung erfolgt der Rissweiterlauf entlang der im Inneren der Schmelzlötverbindung gegebenen metallurgischen Kerben und dabei entweder vorzugsweise entlang der 2-D-Grenzfläche zwischen dem Lötgut und der intermetallischen Übergangsphase oder aber auch entlang der 3-D-Lötgut-Korngrenzen (siehe z.B. /1/).

Sowohl diese inneren Grenzflächen als auch die Korngrenzen sind das eigentliche Wesensmerkmal der metallurgischen Kerben in Schmelzlötverbindungen. Dabei ist die innere relativ glatte 2-D-Grenzfläche für die thermo-mechanische Zuverlässigkeit besonders gefährlich, da sie dem Rissweiterlauf keinen großen Widerstand entgegensetzen kann.

Ziel ist der Übergang von der 2-D- zur 3-D-Grenzfläche von Lötwerkstoffen

Für das hier nur kurz beschriebene Problem bietet sich als eine mögliche Lösung die Entwicklung und Anwendung des Oberflächen- und Volumen-Designs an. Das Ziel des Oberflächen-Designs der Löt-Grundwerkstoffe ist der Übergang von der heute üblichen 2-D-Grenzfläche zur 3-D-Grenzfläche mit dem Ziel, die für den Rissweiterlauf erforderliche Energie durch die Vergrößerung des Laufweges und dem Zwang des Richtungswechsels deutlich zu erhöhen (siehe z.B. /2/).

Dafür kann die Grundwerkstoff-Oberfläche mit additiven durch lokales Urformen, Beschichten oder Fügen hergestellten arteigenen oder artfremden Volumenelementen bzw. mit subtraktiven durch lokales Umformen oder Trennen hergestellten Volumenelementen strukturiert werden. Eine andere Lösungsvariante ist das Volumen-Design der Löt-Grundwerkstoffe mit dem Ziel der Verbesserung der thermo-mechanischen Eigenschaften der Lötverbindungen durch die Veränderung des Gefüges und der Systemeigenschaften des Lötguts. Dazu wird heute insbesondere eine plastische Vorverformung des Grundwerkstoffs angewendet.

Das Ziel der Verbesserung der thermo-mechanischen Eigenschaften der Lötverbindun-gen durch die Veränderung des Gefüges und der Systemeigenschaften des Lötguts kann auch durch ein entsprechendes Volumen-Design der Löt-Zusatzwerkstoffe ex-situ vor dem Löten und des Lötgutes in-situ während des Lötens erreicht werden.

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