Materialien und Effekte beim Wellenlöten

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1 Materials Science & Technology Materialien und Effekte beim Wellenlöten Günter Grossmann Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA Dübendorf

2 Inhalt Infrastruktur Betriebsmittel Produkte. Konstruktionsteile. Fördereinrichtung. Pumpen. Tiegel. Düsen - Lote - Flussmittel - Leiterplatten - Metallisierungen - Komponenten Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

3 Infrastruktur Effekte Flächenkorrosion Interkristalline Korrosion Ermüdung Gewaltbruch Zinnkorrosion Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

4 Mechanische Effekte * Deformationseigenschaften Einsatz von hochfesten Stählen macht nur bei Zugbelastung Sinn Knicken Beulen R p 0.2 Quelle: Wikipedia E : Elastizitätsmodul Für alle Stähle annähernd gleich ca. 200GPa R p : Dehngrenze (0.2%) R el : Untere Streckgrenze R eh : Obere Streckgrenze R m : Zugfestigkeit F K E I s L β : Knickkraft : Elastizitätsmodul : Flächenträgheitsmoment : Knicklänge : freie Stablänge : Einspannfakor Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

5 * Wechsellastfestigkeit, Ermüdung Je höher die Zugfestigkeit desto grösser die Kerbempfindlichkeit Spannung σ Spröd Bruch A Spröd < A Duktil Duktil Bruch ε Bruch > 5% Duktiles Material Dehnung Versagen: σ max > σ C ε Bruch < 5% Sprödes Material a A Deformationsenergie zum Bruch σ max = σ ρ = Bruchzähigkeit K IC σ max σ 0 a ρ = Maximale Spannung = Mittlere Spannung = Länge einer Fehlstelle = Radius einer Fehlstelle σ = C K IC πa σ c = Kritische Spannung K IC = Bruchzähigkeit a = Länge einer Fehlstelle Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

6 Dauerfestigkeit (Gibt es nicht für Werkstoffe mit kubisch flächenzentriertem Kristallgitter wie z. B. Aluminium) Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

7 Korrosion DIN EN ISO 8044 Korrosion, die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

8 An der Metalloberfläche bilden sich anodische (Metall auflösende) und kathodische (Elektronen verbrauchende) Teilbereiche. Voraussetzung für die Bildung von Flächenkorrosion ist der ständige Ortswechsel dieser Teilbereiche. Nur dann kann die Korrosion gleichmäßig auf der Metalloberfläche ablaufen. Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

9 Erosionskorrosion ist ein Vorgang, bei dem Erosion und Korrosion gemeinsam beteiligt sind, z.b. in Rohrleitungen und Pumpen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit. Mechanismus: Flüssigkeiten wirken abrasiv auf Festkörperoberflächen. Dadurch werden schützende Deckschichten lokal zerstört und der Werkstoff reagiert mit dem Medium. Verstärkt wir der Effekt durch die ständige Zuführung von reaktionfähigem Medium. Wichtiger Einflussfaktor: Lokale hohe Strömungsgeschwindigkeiten an Umlenkungen Pumpen, Krümmer Durch Erosionskorrosion völlig zerstörter Gehäusedeckel einer Kühlwasserpumpe Quelle ERSA Quelle SEHO Lötpumpenrad nach 6 Monaten in SnAgCu Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

10 Fast jedes Metall löst sich in Sn. Ausweg: Verbindungen wie Karbide oder Oxide sind beständig. Sn- Fe Sn- Ni Sn- Mo Sn- Cr Sn- Ti Sn- Nb Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

11 Korrosionsresistente Materialien bilden an Luft eine schützende Passivierungsschicht (Oxid). Pilling-Bedworth-Verhältnis = Verhältnis des Volumens der Elementarzelle eines Metalloxids zum Volumen der Elementarzelle des dazugehörigen Metalls. Anhand des PBV kann beurteilt werden, ob ein Metall an trockener Luft durch Bildung einer schützenden Oxidschicht (Passivierung) dauerhaft beständig ist. PBV < 1: Aufreißen der Oxidschicht, keine Schutzwirkung (Beispiel Mg) PBV > 2: Abplatzen der Oxidschicht, keine Schutzwirkung (Beispiel Fe 2 O 3 ) PBV = : Bildung einer dauerhaften, passivierenden Oxidschicht (Beispiele Al, Ti, Cr auf Stahl) Metall Mg Al Ni Fe Fe Fe Ti Cr Si Metalloxid MgO Al 2 O 3 NiO FeO Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 TiO 2 Cr 2 O 3 SiO 2 PBV 0,81 1,28 1,65 1,7 2,14 2,10 1,73 2,07 2,15 Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

12 Ab 12% Cr im Stahl erzeugt Cr eine Passivierungsschicht auf Stahl -> Sehr dünn -> Nicht immer dicht (Lokalkorrosion) -> Beständigkeit gegen Korrosion sinkt mit steigendem Kohlenstoffgehalt, da Chrom eine hohe Kohlenstoffaffinität besitzt und sich hartes, sprödes Chromcarbid vorwiegend an den Korngrenzen bildet, zu Lasten von schützendem Chromoxid. -> Korrosionsbeständigkeit wird erhöht durch Zugabe von Niob oder/und Titan Haben höhere Affinität zum Kohlenstoff als Chrom. Stabilisierte, rein ferritische Stähle mit 12 bis 18 % Chromgehalt wie X2CrTi12 (1.4512), X2CrTiNb18 (1.4509) und X3CrTi17 (1.4510) Lösung: Erzeugen von dickeren, stabile Oxidschichten durch elektrochemischen Passivierung (z.b.feo, Al 2 O 3 ) mit Hilfe elektrischen Stroms in verdünnter Schwefelsäure (anodische Oxidation). Beschichtung der Oberflächen durch Oxide ( le) Quelle ERSA Oxidationsschutz durch organische Schutzschichten Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

13 Materialien Stahl = Schmiedbares Eisen mit weniger als 2% Kohlenstoffgehalt * Baustahl Legierung je nach Anwendungszweck - Mechanische Eigenschaften (Streckgrenze, Verformbarkeit) Unlegierte Baustähle (Streckgrenze N/mm 2 ). Eigenschaften durch Kohlenstoffgehalt und Struktur Hochfeste Baustähle (Streckgrenze > 500N/mm 2, bis 4000N/mm 2 ) Cr, Ni, Co, Mo, Mg + Wärmebehandlung Nur für Zugbelastung, da für die Stabilität der E- Modul gilt, -> Wechsellast - Technologische Eigenschaften (Zerspanbarkeit, Schweissbarkeit) - Physikalische Eigenschaften (Magnetische Eigenschaften, Wärmedehnung) Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

14 * Rostfreier Stahl, Edelstahl Häufigste Legierung : - X5CrNi Patenterteilung 1912 Friedrich Krupp AG Stähle mit hoher Widerstandskraft gegen Korrosion (Versuchsschmelze 2, Austenit) daher V2A. Werkstoffnummer Relativ weicher, nickelhaltiger, nicht ferromagnetischer, austenitischer Stahl Weitere Legierungen: - X 2 CrNiMo Werkstoffnummer Weitere Bezeichnung: V4 (Konvention, keine Beziehung zur Schmelzennummer). Höhere Beständigkeit gegen Cl - X 6 CrNiMoTi Werkstoffnummer Säurebeständig Elektrochemische Passivierung Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

15 Titan * Häufig, 0.56% der Erdkruste * 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor entdeckt. * Herstellung - Von Ilmenit (FeTiO 3 ) oder Rutil (TiO 2 ) ausgehend, wird angereichertes Titandioxid mit Chlor zu Titantetrachlorid umgesetzt. - Anschließend erfolgt eine Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium - Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden. * Sehr stabiles Oxid * Mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung E-Modul [GPa] Dichte [g/cm 3 ] Reines Titan % Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo % Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

16 (aus dem altfränkischen Schmalt = Schmelz und daraus französisch émail) Masse anorganischer Zusammensetzung (Silikaten und Oxiden) meist glasig erstarrt Hergestellt durch Fritten, ( kurz vor der Vollendung abgebrochener Schmelzvorgang). * Mehrere Schichten die einzeln bei 800 bis 850 C gebrannt werden Grund 34 % Borax, 28 % Feldspat, 5 % Fluorit, 20 % Quarz, 6 % Soda, 5 % Natriumnitrat 0,5 bis 1,5 % Cobaltoxid, 0,5 bis 1,5 % Manganoxid 0,5 bis 1,5 % Nickeloxid. Deck 23 % Borax, 52 % Feldspat, 5 % Fluorit, 5% Quarz, 5 % Soda, 2,5 % Natriumnitrat, je 0,5 bis 1,5 % Cobaltoxid 0,5 bis 1,5 % Manganoxid 0,5 bis 1,5 % Nickeloxid 6,5 % Kryolith Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

17 * le für Hochtemperaturanwendungen le auf NiCrAlY NiCrAlY 100h, 900 C le auf NiCrAlY 100h, 900 C Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

18 Betriebsmittel Lote Legierungen 230 C Schmelztemperatur [ C ] 220 C 210 C 200 C 190 C 180 C 170 C 160 C 150 C 140 C 130 C Sn +3-20% Bi Sn- Pb > 50% Bi > 30% In Sn- Ag Sn- Cu Sn-Cu-Ag Sn- Zn Sn48In C Sn42Bi C Sn63Pb C Sn77.2Ag2.8In C Sn91Zn C Sn91.8Ag3.4Bi C 210 C Sn96.1Ag2.6Cu0.8Sb C Sn93.5Ag3.5Bi3 213 C Sn95.5Ag3.8Cu C Sn95Ag3Bi2 220 C Sn96.5Ag C Sn95Ag3.5Sb1Cd C 223 C 0.5Sn99.3Cu C C Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

19 Benetzung * Druck Jedes Lotvolumen hat eine Druckdifferenz zur Umgebung Laplace ΔP=P lot -P Umg =γ LU ( ) R 1 γ = Oberflächenspannung R 2 R1 R2 PLot PUmg. Hydrostatik ΔP = - ρgδy ρ = Dichte g = Gravitation (9.81 m/s 2 ) Δy = Höhe ΔP Δy γ = Oberflächenspannung ρ = Dichte = f (Lot, Substrat, Umgebung, Temperatur) = f (Lot, Temperatur) Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

20 * Elastica Maximal mögliche Lotkontur an 2 Platten R 1 R = ρgy γ X = : φ = 0 Punkt A : φ = 90 Punkt B : φ = 180 Mit limitiertem Lotvolumen ΔP= -ρgy Δ P = γ 1 R (y=h) 1 Pmax = γ Punkt A R Δ 90 Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

21 * Lotabriss Platte die aus einem Lötbad aus SnPb gehoben wird Lotvolumen aus SnPb an einem Draht Durchmesser 2,4 mm Punkte A der Elastika treffen sich bei einer Höhe von 4,4 mm Winkel φ = R 90 > 2.5 nicht möglich Durchmesser > 2,4 mm Lot reisst ab bei Höhe = 4,4 mm weil φ > 180 nicht stabil ist Durchmesser < 2,4 mm Lot reisst ab bei Höhe < 4,4 mm weil Punkte A sich berühren Da die Dichte von Pb freiem Lot geringer ist sollte die Abreisshöhe grösser 4.4 mm sein Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

22 Legierungsvorgang * Prinzip Schweissen Vermischungszone Aufgeschmolzenes Fügematerial Aufgeschmolzenes Basismaterial Verbindung durch vermischen der flüssigen Materialien Löten Festes Basismaterial Aufgeschmolzenes Fügematerial Festes Basismaterial Verbindung durch Diffusion Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

23 * Diffusion Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

24 Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

25 Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

26 Ablegierung Während der Verweildauer im flüssigen Lot - Diffusion von Basismaterial ins Lot (Korrosion) - f (Temperatur, Fliessgeschwindigkeit, Zeit, Lotlegierung, Basismaterial) 275 C, 3.5 s m/min 0.8 m/min Ablegierung Cu in SnAgCu SnCuNi SnAgCu 290 C Ablegierte Cu- Dicke [um ] m/min 1.5 m/min Ablegierung [um] Tiegeltemperatur [ C ] Geschwindigkeit [m/min] Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

27 Quelle Quelle SEHO Quelle: ERSA Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

28 Erstarrung * Strukturen SnPb36Ag2 SnAg3.8Cu0.7 SnBi58 SnAg3.5 Globular Duktil Dendritisch Intermetallische Phasen zwischen den Dendriten Kriechresistent EMPA NCMS EMPA EMPA SnZn9 SnCu0.7 Dendritisch Duktil EMPA NCMS FHG ISIT Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

29 * Erstarrungverhalten EMPA Quelle ERSA EMPA Quelle ERSA Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

30 Flussmittel Aufgaben Das Flussmittel wird auf die oxidierten Oberflächen aufgebracht Basismetall Lot Harz Akivatoren Lösungmittel Sauerstoff Flussmittel In der Vorheizphase verdampfen die Lösungsmittel, das Flussmittel wird aktiviert und reduziert die Oberflächen Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

31 Intermetallische Phase In der ersten Welle werden alle reduzierten Oberflächen mit Lot benetzt, wobei das Flussmittel die Oberflächenspannung herabsetzt und das Lot legiert mit dem Basismaterial. Das Flussmittel oxidiert an der Oberfläche muss aber genügend aktive Bestandteile haben um das Lot vor Oxidation zu schützen In der zweiten Welle werden die Lotbrücken entfernt. Die Oxidation des Flussmittels ist fortgeschritten. Durch einen Überschuss an aktiven Bestandteilen ist das Lot der ersten Welle nicht oxidiert und kann in der zweiten Welle noch einmal benetzt werden. Beim Abkühlen vernetzt das Flussmittel zu einem Polymer in dem die noch verbleibenden aktiven Komponenten eingeschlossen sind. Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

32 Materialien Adipinsäure Bernsteinsäure Harnsäure Salizylsäure Kolophonium Synthetisches Polymer Halogenfreie Flussmittel Quelle E. Westerlaken Alkohol Wasser Halogen Halogenid Halogene = Salzbildner = Halogen + Element z.b. NaCl, HCl, Dichlormethan (CH2Cl2) Quelle M. Novottnik Ohne N 2 Mit N 2 Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

33 Produkte Leiterplatten * Effekte Delamination Hülsenrisse Abheben von Lötaugen Deformation der Leiterplatte (Durchhängen) * Einflussfaktoren Glasumwandlungstemperatur T g Zersetzungstemperatur T z Ausdehnungskoeffizienten (Z- Achse) Anbindung Harz- Füllmaterial Feuchtegehalt Quelle: Willuweit, ISOLA Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

34 T g = Glasumwandlungstemperatur = Übergang von elastischem Verhalten zu plastischem Verhalten T m = Schmelztemperatur T z = Zersetzungstemperatur Linearer Thermoplast ϑ< T g T m >ϑ> T g T z >ϑ> T m Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

35 Vernetzter Duroplast ϑ< T g Lineare Ketten Dreidimensional vernetzte kristalline Gebiete T z >ϑ> T g Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

36 Quelle: H. Briehl, Chemie der Werkstoffe, Springer Polyethylen Plolypropylen Plolyvinylchlorid Plolystirol Je grösser die Atomgruppen desto höher der T g Plolypropylen Plolyvinylfluorid Plolyvinylchlorid Polare Atome im Molekül erhöhen den T g Plolyphenylen Plolydiazolidin Sperrige Molekülbestandteile erhöhen den T g T g = 280 C T g = 300 C Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

37 * Materialien Phenolharz Papier Fliess FR2 Baumwolle Gewebe CE Asbest Fliess A Gewebe AA Glas Fasern G2 Gewebe G3 Nylon Fasern N1 Melaminharz Ungefüllt -- ES1, ES3 Glas Gewebe G5, G9 Epoxidharz Papier Fliess FR3 Papier Fliess CEM1 GFK als Aussenlage Ungefüllt -- CEM3 GFK als Aussenlage Glas Gewebe FR4, FR5 Aramid Fliess Polyester Glas Gewebe GPO1, GPO2 Polyimid Glas Gewebe PTFE Ungefüllt Epoxidharz ist nicht gleich Epoxidharz Quelle: Willuweit, ISOLA Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

38 Wärmedehung in Z- Achse, Epoxidharze Delaminationszeit, Epoxidharze Quelle: Willuweit, ISOLA Quelle: Willuweit, ISOLA Gewichtsverlust, Epoxidharze Quelle: Willuweit, ISOLA Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

39 Mechanische Komponenten * Effekte Quelle: ERSA Quelle: ERSA Quelle: ERSA Zersetzen, Deformation * Materialien Polyphtalamid Polyamid 4.6 Polyester T m [ C] T g [ C] HDT-A [ C] PET PBT PC Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

40 Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

41 7 Segment LCD Display Panel Display Technology:LCD Leaded Process Compatible:Yes Peak Reflow Compatible (260 C):Yes Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

42 Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

43 Integrierte Komponenten Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

44 Lötbare Oberflächen - Cu oxidiert sehr schnell -Cu 2 O, CuO sind sehr beständig Quelle R.Schmidt IZM Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

45 * Benetzungskraft diverser Oberflächen Quelle TU- München, Endress&Hauser * Nickel- Gold Lötdefekte in Funktion der Au- Schichtdicke Black- Pad Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

46 * Chem. Zinn Beschichtungszeit Restzinn über der intermetallischen Phase Quelle: Ometron Whisker Wachstum der intermetallischen Phase SnPb Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca

47 Zusammenfassung Infrastruktur Mechanische Effekte (Überlast, Ermüdung) Überlast muss konstruktiv gelöst werden Ermüdung = Kombination Konstruktion, Materialwahl Korrosion (Säuren, Erosion) Schutz durch Oxide oder le Betriebsmittel SnAgCu oder SnCu(Ni) in der Welle Benetzung durch Druck (Oberflächenspannung), hydrostatischer Druck Ablegierung = Kombination Temperatur, Bandgeschwindigkeit, Lot Erstarrungsverhalten stark Lotabhängig Flussmittel sind zuständig für Reduktion der Oberflächen, Schutz vor Oxidation, Reduktion Oberflächenspannung Begrenzte thermische Beständigkeit der Aktivatoren Produkte Bei der Leiterplatte zählt mehr als der T g Wärmedehnung aller FR4 in etwa gleich, T g wird immer überschritten Kunststoffe der mechanischen Komponenten leiden. Daten sind nicht einfach zu bekommen. Integrierte Bauteile: Dampfdruck Grosse Anzahl an Oberflächen. Hauptsächlich HAL, NiAu, Chem. Sn, OSP Empa, G.Grossmann, EE-Kolleg Mallorca