Einfluss der Fest-Flüssig-Reaktionen im Lötspalt auf Lötguteigenschaften und Präzision

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Die Genauigkeit eines Bauteils kann durch verschiedene, während des Aufschmelz- und Erstarrung­prozesses beim Transient Liquid Phase (TLP) Bonding auftretende Effekte verringert werden, deren Behebung eine aufwendige Nachbearbeitung bzw. die Fertigung und den Einsatz eines Ersatzbauteils notwendig macht. Vor allem Geometriefehler wie eine ungleichmäßige Spaltbreite oder Verzug durch thermisch induzierte Spannungen, insbesondere beim Fügen von Werkstoffen mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizient, können die Genauigkeit und Präzision des Verbundes reduzieren. Inhomogenitäten u.a. bezüglich Zusammensetzung und mechanischer Eigenschaften werden durch die Gefügeausbildung in der Lötnaht samt Gefügefehlern, wie Poren, Spannungsrissen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der gefügten Werkstoffe sowie den vor allem beim TLP-Bonding auftretenden intermetallischen Phasen, hervorgerufen und schränken so Funktion und Genauigkeit des Bauteils ein.

Bislang sind die komplexen Wechselwirkungen, die teils schon bei der Herstellung der bei diesem Verfahren verwendeten Lotfolien über Schmelzverfahren zu der Ausbildung von Fehlern führen, aber auch den weiteren Herstellungsprozess prägen, nicht vollständig analysiert. Nach der Identifikation ablaufender physikalischer Teilprozesse wie der Phasenbildung und -umwandlung in der Lötnaht durch neuartige in-situ-Untersuchungsmethoden (Röntgen-/Neutronenbeugung bzw. rasterelektronenmikroskopische Analyse während des Lötprozesses (A2, A6)) soll ihr Einfluss auf die Geometrie und das Gefüge des Bauteils untersucht und verstanden werden. Hierzu werden Kenndaten des entstehenden Lötgutes bestimmt und genutzt, um u.a. die Gefügeausbildung während des Lötprozesses zu simulieren (B7). Die geometrischen Abweichungen, hervorgerufen durch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und damit verbunden die thermisch induzierten Spannung, werden ergänzend betrachtet. Zudem soll der Einfluss der Prozess-parameter, einerseits auf die Ausbildung des Gefüges in der Prozesszone und die geometrischen Abweichungen, die zu einer geringen Bauteilgenauigkeit führen, untersucht werden. U.a. durch die gezielte Steuerung der Prozessparameter während des Lötprozesses sollen die auftretenden Fügefehler kompensiert und damit die Präzision verbessert werden. Die präziseren und genaueren Lötverbindungen, insbesondere aus Werkstoffen mit deutlich unterschiedlichen thermischen Eigenschaften, sollen z.B. für Formeinsätze für Gießwerkzeuge bzw. Komponenten für Düsen für Laseranwendungen eingesetzt werden (A8, B1, B8), um so über den Wärmefluss die Erstarrung der Schmelzen zu steuern, so dass präzisere Bauteile hergestellt werden können.

 

Fügeverbindung Al7Si03Mg-78Sn22Cu

Fügeverbindung Al7Si03Mg-78Sn22Cu Urheberrecht: SFB 1120

Es wurde eine amorphe SnCu‑Lotfolie mittels Melt Spinner hergestellt, charakterisiert und zum Fügen von schwer benetzbaren Aluminiumlegierungen angewandt. Anschließend konnte durch die in Kooperation mit TP A6 durchgeführten in situ Untersuchungen im GK-REM eine Parameteroptimierung durchgeführt werden.

 
 

Optimierte Fügeverbindung Al7Si03Mg-78Sn22Cu

Optimierte Fügeverbindung Al7Si03Mg-78Sn22Cu Urheberrecht: SFB 1120

Dadurch wurde u.a. das Auflösen des Grundwerkstoffs entlang der eutektischen Gefügestrukturen durch das Lot nahezu komplett unterbunden. Als Ergebnis konnte eine homogene Fügeverbindung mit einer wesentlich geringeren Dicke des Lötgutes erzeugt werden.