[Back]

M. Hassan:
"Charakterisierung des Ablegierens in bleifreien Lotsystemen";
Supervisor: W. Smetana; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2003.

This diploma thesis project deals with physical and chemical processes during the soldering process.
Due to the high thermal excitation during soft-soldering a metallurgical reaction between the base material and the solder takes place. It has been examined how diffusion processes and resolving of metalisation in solder change the properties of the solder junction.
During the investigation of the leaching behaviour and the intermetallic zones at the boundary solder / metalisation surface two lead-free solder alloy compositions (i.e. Sn96Ag and Sn96Ag3,5Cu0,5) combined with five types of surface metalisation have been considered
With the evaluation of micrograps of metallisation samples that have been dipped into the solder bath we observed the dissolution of the metalisation and the growth of intermetallic zones for five different solder bath temperatures depending on varying immersion times.
Longer soldering times lead to worse wetting, because diffusion processes cause dissolution of the metalisation.
We could determine that dissolution of metallisation is a linear function of the soldering time for arbitrary temperatures. Higher temperatures cause a higher speed of dissolution.
The two solder alloys are based on SnAg alloys. The effect of adding copper on the leaching behaviour and the intermetallic zones has been studied. The addition of 0.5% Cu to a SnAg alloy lead to a significant improvement of the solder junction's quality.
Having the results of the measurements, the activation energy for all combination has been calculated with the formulas of Arrhenius.
The activation energy for leaching and the establishment of intermetallic zones has been considered to be the criterion for soderability for the reliability of a specific solder/metallisation combination.
The best solderability has been achieved with a combination of Ni/Au coated copper and a SnAg solder.

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sicht mit physikalisch/ chemischen Vorgängen beim Lötprozess.
Da aufgrund der hohen thermischen Anregung beim Weichlöten eine metallurgische Reaktion zwischen Grundwerkstoff und Lot stattfindet, wird untersucht, inwieweit Diffusionsvorgänge und Metallisierungsauflösungen im Lot, den Aufbau und die Eigenschaften von Lötverbindungen beeinflussen
Bei den Untersuchungen des Ablegierverhaltens und der intermetallischen Zone an der Grenzfläche Lot/ Metallisierungsoberfläche wurden zwei bleifreien Lotlegierungen Sn96Ag und Sn96Ag3,5Cu0,5 zusammen mit fünf Oberflächenmetallisierungen herangezogen.
Durch Auswertung von Schliffbildern an Metallisierungsproben, die in das Lotbad getaucht wurden, konnte die Metallisierungsauflösung und das intermetallische Zonenwachstum für verschiedene Lotbadtemperaturen in Abhängigkeit von verschiedenen Tauchzeiten ermittelt werden.
Längere Lötzeiten verschlechterten die Benetzung, da es aufgrund von Diffusionsprozessen zu einer Auflösung der Metallisierung kam.
Es konnte festgestellt werden, dass die Metallisierungsauflösung für alle Löttemperatur linear mit der Lötzeit zunimmt, wobei höhere Temperaturen zu einer größeren Auflösungsgeschwindigkeit führen.
Da die zwei Lotlegierungen auf einer Basis von SnAg-Legierung sind, wurde der Einfluss von Zulegieren von Kupfer auf das Ablegierverhalten und die intermetallische Zone genauer untersucht, wobei die mit 0,5% Cu gepufferten SnAg Legierung zu einer deutliche Verbesserung der Lotverbindung führt.
Aus den Messergebnissen wurde mit Hilfe von Arrheniusbeziehungen für alle Kombinationen die Aktivierungsenergie berechnet.
Die Aktivierungsenergien für das Ablegieren und die Ausbildung der intermetallischen Zonen wurden als Bewertungskriterium für die Zuverlässigkeit und die Lötbarkeit einer Lot-Metallisierung-Beschichtungskombination herangezogen. Die besten Lötbarkeitsergebnisse wurden mit einer Kombination von Ni/Au beschichteten Kupfer und einem SnAg-Lot erzielt.