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Zuverlässigkeit stoffschlüssiger Fügeverbindungen für Hochtemperatur-Elektronikbaugruppen

 
: Nowottnick, M.

Rostock: Univ. Rostock, 2006, 177 pp.
Zugl.: Dresden, TU, Habil.-Schrift, 2006
Dresdner fügetechnische Berichte, 13; Buchreihe Aufbau- und Verbindungstechnik in der Elektronik - aktuelle Berichte, 4
ISBN: 3-86009-300-2
German
Habilitation
Fraunhofer IZM ()
reliability; joining; technology; liquid solder; Flüssiglot; high temperature; Stützwerkstoff

Abstract
Die Zuverlässigkeit konventioneller stoffschlüssiger Fügeverbindungen wird in der Regel nur für Betriebstemperaturbereiche gewährleistet, in denen sich die thermo-mechanischen Eigenschaften nicht grundlegend verändern. Wird z.B. das Lötgut einer Hartlötverbindung über eine homologe Betriebstemperatur von 0,4 erwärmt, verringert sich deren Festigkeit und das thermo-mechanische Verhalten entspricht dem einer Weichlötverbindung. Besonders für Hochtemperatur-Elektronikbaugruppen mit Betriebstemperaturen über 125°C ist die Definition und Kenntnis dieser Grenzen für deren Anwendung von großer Bedeutung, da die Gesamtzuverlässigkeit maßgeblich von der Zuverlässigkeit der Fügverbindungen bestimmt wird. Die heute gebräuchliche Einteilung insbesondere der metallischen stoffschlüssigen Fügeverbindungen anhand der Schmelztemperaturen der Zusatzwerkstoffe ist aber für eine exakte Charakterisierung der betriebsspezifischen Eigenschaften nicht ausreichend. Der Einfluss der Betriebstemperatur auf den Charakter der Fügeverbindung kann durch die Betrachtung der betriebs- und prozessspezifischen Werkstoffzustände 'fest', 'viskos', 'flüssig' und 'dampfförmig' erfolgen. Durch die Definition temperaturabhängiger Zustände für die an der Fügeverbindung beteiligten Werkstoffe unter Berücksichtigung ihrer prozessbeeinflussten chemischen Zusammensetzung, ermöglicht eine exakte Festlegung der Temperaturgrenzen eines Betriebszustandes. Durch die Festlegung der werkstoffbezogenen Betriebstemperatur-Grenzen ist aber auch die Nutzung des definierten Übergangs der Werkstoffzustände von Fügeverbindungen möglich. Während sich die gebräuchlichen aus Weichloten hergestellten Lötverbindungen elektronischer Baugruppen für maximale Betriebstemperaturen bis 150°C grundsätzlich im viskosen Werkstoffzustand befinden, können diese für Hochtemperatur-Elektronikbaugruppen auch kontrolliert in den flüssigen Werkstoffzustand überführt werden. Da beim Abkühlen der Elektronikbaugruppen auf Raumtemperatur, z.B. im Ruhezustand, immer wieder der viskose Werkstoffzustand erreicht wird, werden die Lötverbindungen alternierend im viskos/flüssigen Werkstoffzustand betrieben. Das Konzept der alternierend viskos/flüssigen Lötverbindungen wurde für elektronische Baugruppen und Komponenten mit einer maximalen Betriebstemperatur von 250°C erprobt. Als Lotwerkstoff kommt eine Sn55Bi45-Legierung mit einer Solidustemperatur von 138°C zur Anwendung. Die alternierend viskos/flüssigen Lötverbindungen besitzen im gesamten Betriebstemperaturbereich eine gute elektrische Leitfähigkeit und erfüllen damit zuverlässig die elektrische Funktion. Da bereits bei Erreichen des viskos-flüssigen Übergangszustandes keine ausreichende mechanische Stabilität der Fügeverbindungen gewährleistet werden kann, wird diese Funktion durch die Kombination mit einer Klebverbindung realisiert. Geeignete Klebstoffe zur Herstellung zuverlässiger Klebverbindungen mit einer Wärmebeständigkeit für 200°C Dauerbetriebstemperatur und 250°C Spitzentemperatur sind auf der Basis kostengünstiger Epoxydharze verfügbar. Die Zuverlässigkeit kombinierter Kleb- und Lötverbindungen mit einer alternierend viskos/flüssigen Lötverbindung wird insbesondere durch die innere Korrosion an der Grenzfläche zwischen dem festen Grundwerkstoff und dem flüssigen Lötgut begrenzt. Als besonders effektive Maßnahme des Korrosionsschutzes hat sich der Einsatz von Inhibitoren erwiesen. Gegenüber Cu- und Ni-Grundwerkstoffen eignet sich der Zusatz von 1 % Al, das bereits in das Lot oder als Reaktionslot in das Lötgut einlegiert wird und an der Grenzfläche als Diffusionsbarriere wirksam wird. Der Nachweis der Zuverlässigkeit wurde am praktischen Beispiel für alternierend viskos/flüssige Lötverbindungen über einen Prüfzeitraum von 7 Monaten mit einer maximalen Prüftemperatur von 250°C erfolgreich geführt. Die Übertragung des Konzeptes der alternierend viskos/flüssigen Lötverbindung auf konventionelle Lötverbindungen die aus SnPb- und SnAgCu-Loten hergestellt und die durch wiederholtes Nachlöten im Verlauf von 2000 Prüfzyklen regeneriert werden, führte auch hier zu einer deutlichen Erhöhung der Zuverlässigkeit.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-49494.html