Dr.-Ing. Talal Qasim - Doktorarbeit

Talal Qasim
	06/2004, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg / Elektrotechnik und Informationstechnik
	Thema	:	Kriechverhalten von bleihaltigen und bleifreien Weichloten bei hohen homologen Temperaturen
	Berichter	:	Prof. Dr.-Ing. Burte
	Stichwörter	:
	Verlag-ISBN	:
	Kurzfassung	:	Ab 01.07.2006 wird der Einsatz von Blei in den Loten für Europa total verbieten. Deshalb müssen mit hoher Wahrscheinlichkeit ab diesem Termin bleifreie Lote eingesetzt werden , deren Verhalten unter Betriebsbelastungen dann bekannt sein muss. Für die Beschreibung des Kriechverhaltens dieser bleifreien Lote liegen bislang keine ausführlichen Informationen bzw. technische Daten vor. Durch thermomechanische Belastungen, aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von elektronischem Baustein und Leiterplatte, führt Kriechen, Ermüdung und Relaxation zu Schädigungen der eingesetzten Lötstellen. Bei fortschreitender Beanspruchung des Lotes kann es zu Rissen in den Lotverbindungen,somit werden die Funktion des Bauelementes beeinträchtig. Um eine möglichst hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Lötstellen in elektronischen Systemen zu gewährleisten, ist es notwendig, die Kenntnis des Kriechverhaltens unter Betriebsbedingungen, wie Betriebstemperatur und mechanische Belastung des Lotwerkstoffes genauer zu erfassen. In der vorliegenden Dissertation wird das Kriechverhalten bleihaltiger und bleifreier Weichlote unter homologen Spannungen 5.10-4 - 5.10-5 und hohen homologen Temperaturen > 0,65Ts untersucht. Die Abmessungen der Proben wurden den Abmessungen von Lötstellen angeglichen (Probendruchmesser 1 mm, Messlänge 2,3 mm für die Gußprobe) Die Untersuchungen hatten das Ziel, eine für die untersuchten Weichlote gültige Kriechgleichung auf viskoplastischer Basis aufzustellen, mit der die Dehnung e(t) als Funktion der Zeit, der Spannung und der Temperatur beschrieben werden kann. Vergleichend wurden auch klassische Auswertungen, z. B. auf der Basis des Arrhenius-Gesetzes und der Energiebetrachtung beschrieben. Darüber hinaus sollte, als Voraussetzung für die Lebensdauerabschätzung, neben dem Kriechverhalten auch das Bruchverhalten erfasst werden. Mit Hilfe der Laserextensometrie wurde das Kriechverhalten von binären Lotlegierungen (Sn60Pb40 / Sn96,5Ag3,3 / Sn91Zn9) bei den homologen Temperaturen 0,65, 0,8 und 0,95 und den homologen Spannungen > 5x10-5 exakt vermessen. Die Temperatur des Ofens und die Raumtemperatur wurden während des Kriechversuches kontinuierlich registriert. Die Kriechversuche wurden meistens 100 h oder bis zum Bruch gefahren. Die graphische Auftragung der Dehnung e über der Zeit t ergibt die Kriechkurve. Primäres Kriechen konnte bei keinem der untersuchten Werkstoffe unter den gewählten Versuchsparametern beobachtet werden. Mikrostrukturelle Untersuchungen zur Entwicklung der Gefüge wurden neben Kriechversuchen zur Charakterisierung des mechanischen Verhaltens durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das Kriechverhalten von eutektischen Weichloten bei homologen Temperaturen > 0,6 mittels viskoplastischer Gleichungen auf der Basis der Zeit-Temperatur- und Zeit-Spannungsverschiebung gut beschrieben werden kann. Damit kann mit diesem Ansatz die Kriechdehnung in einer belasteten Lötstelle berechnet und zur Lebensdauerabschätzung benutzt werden. Die Möglichkeit der Erweiterung des viskoplastischen Ansatzes mittels eines „Legierungsfaktors“ muss durch weitere Messungen gestützt werden. Die daraus abgeleiteten Daten wie Aktivierungsenergien Q, Spannungsexponent n und Kriechrate liefern Einblicke für das bessere Verständnis der Kriechkurven. Die mit den beschriebenen Messmethoden ermittelten Aktivierungsenergien für Sn60Pb40, Sn96,5Ag3,5 und Sn91Zn9 stimmen gut mit den vergleichbaren vorhandenen Werten in der Literatur überein. Hinweise zur Größe der Aktivierungsenergie in Abhängigkeit von verschiedenen Kriechmechanismen müssen durch weiterführende Arbeiten gefestigt werden. Sn91Zn9 besitzt die höchste Aktivierungsenergie. Die Aktivierungsenergie ist neben der Gefügeart ein gutes Maß für die geschwindigkeitsbestimmenden Diffusionsvorgänge dieser binären Weichlotlegierungen beim Kriechversuch. Bleifreie Lote haben höhere Aktivierungsenergien und Spannungsexponenten sowie einen höheren Kriechwiderstand als bleihaltige Lote gezeigt. Eine wichtige Größe des Kriechverhaltens ist auch die minimale stationäre Kriechgeschwindigkeit . Mit den Kriechwerten bei hohen thermischen und mechanischen Belastungen wurden die Dehnungswerte bzw. die Kriechgeschwindigkeiten ermittelt. Die Kriechgeschwindigkeit hängt in komplexer Weise von Temperatur, Spannung und Korngröße ab. Die Kriechgeschwindigkeiten der Weichloten im stationären Betreich wachsen mit steigender Temperatur und zunehmender Spannung. Bei niedrigen Temperaturen (Th = 0,65) ist die Kriechgeschwindigkeit von der Spannung sehr schwach abhängig. Eine Verdoppelung der angelegten Spannung hat in etwa eine Verzehnfachung der Kriechgeschwindigkeit zur Folge. Der Wegfall des Primärkriechens in diesem Fall ist ein Zeichen von Diffusionskriechen. Zum diffusionsgesteuerten Kriechen scheint das Nabarro-Herring-Kriechen für diese Verformung verantwortlich zu sein, was aber noch weiter untersucht werden sollte.