Intermetallische Verbindungen sind ein notwendiges Übel in der Welt der Metall-Metall-Verbindungen, zu denen das Löten definitiv gehört. Es gibt zwei grundsätzliche Möglichkeiten, wie sich ein Metall "chemisch" mit einem anderen Metall verbindet: 1) Mischkristall 2) Intermetallisch. Wir werden uns im Moment nur auf die intermetallischen Verbindungen konzentrieren, da diese für die Welt des Lötens am relevantesten sind.
Viele Menschen verwechseln oder vertauschen "Benetzung" mit intermetallischer Bildung (Bindung). Benetzung ist einfach nur Benetzung. Nur weil ein Lot eine Oberfläche "benetzt", bedeutet das nicht, dass eine intermetallische "Bindung" entstanden ist. Zum Beispiel, und ich habe das selbst gemacht, kann 55,5Bi 44,5Pb auf ein Stück Kupfer geschmolzen werden. Das geschmolzene BiPb fließt und "benetzt" die Oberfläche des Kupfers. Beim Erstarren (Abkühlen) der Legierung kann das BiPb jedoch abgezogen werden. Der Grund dafür ist, dass sich keine intermetallische Verbindung zwischen dem BiPb und der Kupferoberfläche gebildet hat.
Damit sich eine intermetallische Verbindung bilden kann, muss sich ein gewisser Anteil der Oberflächenmetallisierung im geschmolzenen Lot auflösen. Aus diesem Grund ist Sn (Zinn) seit langem ein wichtiger Bestandteil von Lötlegierungen. Geschmolzenes Sn (Zinn) ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für viele andere Metalle. Zu diesen "vielen anderen Metallen" gehören Elemente wie Kupfer, Gold, Silber und, in geringerem Maße, Nickel. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese anderen Metalle in geschmolzenem Zinn (Lot) auflösen, ist unterschiedlich. Gold löst sich leicht in Lötzinn auf, während Nickel dies nur langsam tut. Da die Auflösungsrate für jedes Metall unterschiedlich ist, ist auch die Rate der intermetallischen Bildung unterschiedlich. Ich habe mit Unternehmen zu tun gehabt, die seit langem auf Kupfer löten und aus welchen Gründen auch immer gezwungen sind, auf eine ENIG-Oberfläche (Chemisch Nickel / Chemisch Gold) umzustellen. (Es ist wichtig zu wissen, dass die Goldschicht sehr dünn ist und nur zum Schutz des Nickels vor Oxidation aufgetragen wird. Diese Goldschicht löst sich leicht vollständig in das geschmolzene Lot auf, und die "Verbindung" wird tatsächlich mit der Nickeloberfläche hergestellt). Bei der Umstellung stoßen sie manchmal auf eine Reihe von Problemen wie unvollständige Benetzung, schlechte Haftfestigkeit usw. und wissen nicht, warum. Sie wissen nicht, warum. Sie sind sich nicht bewusst, dass das gleiche Reflow-Profil (Zeit und Temperatur), das eine gute (intermetallische) Verbindung mit Kupfer ergab, nicht ausreicht, um die gleiche intermetallische Verbindung mit Nickel zu erzielen. Sobald sie ihr Profil anpassen (mehr Zeit und/oder höhere Temperatur), um eine ausreichende intermetallische Bildung zu ermöglichen, können sie akzeptable Lötstellen erzielen. Denken Sie daran, dass die Auflösung, also das Phänomen, dass sich ein Feststoff in einer Flüssigkeit auflöst, sowohl von der Zeit als auch von der Temperatur abhängt. Generell gilt: Je länger und je höher die Temperatur, desto stärker die Auflösung und damit auch die intermetallische Bildung.
Wie ich bereits in meinen einleitenden Worten erwähnt habe, sind intermetallische Verbindungen ein notwendiges Übel, denn sie sind in der Regel der sprödeste Teil der Lötstelle. Einige intermetallische Verbindungen sind spröder als andere (dies sollte bei der Auswahl einer Lotlegierung für eine bestimmte Metallisierung berücksichtigt werden). Intermetallische Verbindungen, die sich zwischen Sn und Au bilden, sind zum Beispiel oft extrem spröde und können brechen. Dies ist ein Fall, in dem mehr nicht immer besser ist. Ja, man braucht eine intermetallische Verbindung, um eine "Bindung" zu erreichen. Eine zu dünne intermetallische Schicht kann schlecht sein, aber eine zu dicke intermetallische Schicht kann genauso schlecht sein, wenn nicht sogar schlimmer. Ob Sie es glauben oder nicht, das Lot haftet möglicherweise nicht gut an seiner eigenen intermetallischen Schicht. Intermetallische Schichten sind im Allgemeinen kristalline und chemisch stabile Strukturen...., die nach ihrer Bildung mit nichts anderem mehr reagieren. Wenn Sie sich schon einmal eine gebrochene Lötstelle angesehen haben, ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass der Bruch wahrscheinlich genau an der Grenzfläche zwischen der intermetallischen Schicht und dem massiven Lot aufgetreten ist.
Ein weiteres mögliches Ergebnis einer zu dicken intermetallischen Schicht ist die "Lückenbildung" an der Grenzfläche. Und warum? Nun, wir müssen uns zunächst die Reaktionsprodukte ansehen. Es gibt zwei grundlegende Arten von Reaktionsprodukten, die die intermetallische Schicht zwischen Sn und Cu bilden. Es handelt sich um Cu3Sn und Cu6Sn5. In der f
Im ersten Fall kommen 3 Cu-Atome auf jedes Sn-Atom und im zweiten Fall 6 Cu-Atome auf 5 Sn-Atome. In beiden Fällen wird das Cu schneller verbraucht als die Sn-Atome. Aufgrund dieser Ungleichheit bei der Reaktion können sich in einem übertriebenen Szenario kleine Löcher oder Leerstellen ("voids") in der Kupferoberfläche bilden.
Die Bildung intermetallischer Verbindungen ist nicht nur auf den Lötprozess beschränkt. Metallatome können auch im festen Zustand diffundieren. Und diese Bewegung kann dazu führen, dass die Metallatome miteinander interagieren, reagieren und Intermetallisches bilden oder dass die bestehende intermetallische Schicht verdickt wird. "Häufig werden Alterungsversuche durchgeführt, um zu messen, wie stark sich die intermetallische Schicht verändert und welche Auswirkungen dies auf die mechanische Beschaffenheit der Verbindung haben wird.
Es würde den Rahmen und den Zweck dieses Blog-Beitrags bei weitem sprengen, eine erschöpfende Erörterung der Intermetallik vorzunehmen. Man könnte ganze Bücher über dieses Thema schreiben. Ich bin also weit davon entfernt, dem Thema der Intermetallik gerecht zu werden. Ich kann nur hoffen, dass ich ein wenig Licht in das Thema bringen kann.
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