Leute,
Die Betriebstemperaturen für elektronische Bauteile in einem modernen Automobil können über 125 °C betragen. Diese hohen Temperaturen geben Anlass zur Sorge über intermetallisches Wachstum von Kupfer-Zinn in Lötstellen.
Oft wird nicht bedacht, dass selbst die Raumtemperatur nur einen beträchtlichen Bruchteil der Schmelztemperatur von Zinn ausmacht, z. B. 293K/505K = 0,5802. Es sei daran erinnert, dass wir bei diesen Berechnungen die Kelvin-Skala verwenden müssen. 125 K ist jedoch 0,788 K vom Schmelzpunkt des Zinns entfernt. Diese Temperatur entspricht der eines Schmiedeeisens mit einer Temperatur von 895°C. Abbildung 1 zeigt ein Temperaturdiagramm einer Schmiede. Man beachte, dass 895C mehr als glühend heiß ist.
Abbildung 1. Temperaturdiagramm eines Schmiedes
Wie groß ist also das intermetallische Kupfer-Zinn-Wachstum des SAC-Lots bei 125 °C in Abhängigkeit von der Zeit? Das Fick'sche Diffusionsgesetz besagt, dass das Wachstum des intermetallischen Materials, D, wie folgt ist:
D = (k(T)t)^0,5 Gleichung 1.
Dabei ist k(T) eine temperaturabhängige Wachstumsratenkonstante und t die Zeit. Siewert etal[i] führten Experimente durch, in denen D für verschiedene Temperaturen und Zeiten für SAC-Lote gemessen wurde. In Anlehnung an Siewert werde ich die Zeit in Stunden angeben. Unter Verwendung ihrer Daten in den Abbildungen 2a bis 2c für SAC-Lot konnte ich k in einem Arrhenius-Diagramm darstellen, siehe Abbildung 2.
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Abbildung 2. Ein Arrhenius-Diagramm der Siebertschen Daten
Aus Abbildung 2 geht hervor, dass Ln k = -6784,7/T+ 14,81 oder k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Bei 125C oder 398K ist also k = 0,1068. Mit diesem Wert von k können wir D als Funktion der Zeit darstellen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt. Beachten Sie, dass beide Skalen logarithmisch sind. In 1.000 Stunden (42 Tagen) ist das Intermetallichas um 10 Mikrometer gewachsen. In 3 Jahren erreicht es 53 Mikrometer. Wir sollten vorsichtig sein, denn Siewets Daten haben Fehlerbalken. Aber ich habe den Eindruck, dass diese Hochrechnungen innerhalb eines Faktors zwei liegen.
Abbildung 3. Intermetallisches Wachstum als Funktion der Zeit bei 125C in SAC-Lot.
Wie wirken sich diese dicken Intermetalle in einer rauen Autoumgebung aus? Niemand weiß das, aber ich würde jemanden ermutigen, einige Experimente durchzuführen, um das herauszufinden.
Zum Wohl,
Dr. Ron
[i] Siewert, T. A. etal, Formation and Growth of Intermetallics at the Interface between Lead-Free Solders and Copper Substrates, APEX 1994.
