SB_18.705BLP

2017
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung eines
standardisierten
Messverfahrens zur in
situ Bestimmung des
Benetzungs- und
Fließverhaltens von
Hartloten

Entwicklung eines
standardisierten
Messverfahrens zur in situ
Bestimmung des Benetzungsund
Fließverhaltens von
Hartloten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.705 B
DVS-Nr.: 07.082
Technische Universität Chemnitz
Institut für Werkstoffwissenschaft und
Werkstofftechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.705 B / DVS-Nr.: 07.082 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2017 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 365
Bestell-Nr.: 170474
ISBN: 978-3-96870-364-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.705BR
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ................................................................................................................................... 4
Stand der Technik ...................................................................................................................... 5
Durchgeführte Arbeiten .............................................................................................................. 9
Auswahl des Erwärmungsverfahrens .................................................................................... 10
Aufbau und Erprobung des Versuchsstands ......................................................................... 16
Probenformen und Grundwerkstoffe ..................................................................................... 19
Lotwerkstoffe und Flussmittel ................................................................................................ 23
In-situ Analyseverfahren ....................................................................................................... 26
Möglichkeiten und Grenzen .................................................................................................. 35
Projektbegleitender Ausschuss ................................................................................................ 37
Verwendung der Zuwendung.................................................................................................... 37
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ...................................................... 37
Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen ........................................................ 38
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 42

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.705BR
Einleitung
Die Charakterisierung des Benetzungs- und Fließverhalten von Hartloten ist derzeit nur
durch die Kombination unterschiedlicher Methoden möglich. Dabei ist keine Methode in
der Lage alle Einflussgrößen zu berücksichtigen, wodurch sich die Ergebnisse nur
schwer auf Bauteile übertragen lassen und der Prüfaufwand entsprechend zeit- und
kostenintensiv ist. Seitens der Industrie wird ein einheitliches, zuverlässiges und in
Regelwerken festgeschriebenes Verfahren zur Bewertung von Hartloten gefordert. Im
Rahmen des Fachausschusses FA7 des DVS wurde ein deutlicher Bedarf geäußert. In
der industriellen Praxis findet eine Auswertung nur nach erfolgter Lötung durch die
Ermittlung der Fließlänge oder Spaltüberbrückung statt. Besonderes bei der Entwicklung
neuer Lotwerkstoffe ist eine Einschätzung vor allem im Vergleich zu den bereits
eingesetzten Loten unbedingt erforderlich. Ein standardisiertes Verfahren hierzu fehlt. Da
es sich bei Lotfluss um einen hochdynamischen Prozess handelt, bietet sich eine in-situ-
Methode an, welche zu jedem Zeitpunkt des Lötprozesses entsprechende Ergebnisse
liefert. Zudem wird es möglich die auftretenden Effekte, wie die Bildung unterschiedlicher
Fließphasen in Folge von Diffusions- und Reaktionsprozessen, näher zu untersuchen
[Wei96]. Die Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Fließprozesses in
Abhängigkeit der Lotzusammensetzung und der Prozessatmosphäre bzw. dem
Flussmittel bei. Zusammenfassend ergibt sich sowohl aus industrieller als auch
wissenschaftlicher Sicht die Notwendigkeit ein standarisiertes Verfahrens zur in-situ-
Bestimmung des Benetzungs- und Fließverhaltens zu entwickeln. Damit wird es den
Lotherstellern und KMU möglich, das Verhalten des Lotes in manuellen und
automatisierten Prozessen quantitativ, standardisiert und sicher zu beurteilen.
Das Forschungsvorhaben wurde durch Mittel des Bundesministeriums für Wirtschaft und
Ener-gie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
„Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Der AiF-Förderung sei gedankt.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht

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Stand der Technik
Bei der Herstellung von Lötverbindungen ist die genaue Kenntnis der
Verarbeitungseigenschaften der Lote unerlässlich. Von zentraler Bedeutung ist das
Benetzungs- und Fließverhalten. Die Sicherstellung der Prozesssicherheit führt zu einer
dauerhaft hohen Qualität und Güte der herzustellenden Verbindungen. Ausgangspunkt
für die Einschätzung des Benetzungs- und Fließverhaltens sind unterschiedliche
Versuche, die wiederum als Basis für die Erstellung von Berechnungsmodellen dienen.
Einen guten Überblick der bestehenden Benetzungsmethoden bzw. Methoden zur
Bestimmung der Grenzflächenspannung geben Drelich et al. [Dre02]. Nachfolgend sollen
die gebräuchlichsten Herangehensweisen näher erläutert werden. Wichtig ist in dabei die
Identifikation und Berücksichtigung der wirkenden Einflussgrößen.
Zur Beurteilung der Benetzungsfähigkeit wird in der Löttechnik hauptsächlich der
Benetzungswinkel bestimmt. Dabei ist die Young-Dupré-Gleichung, welche den
Zusammenhang zwischen Oberflächenenergien/Grenzflächenspannungen und
Benetzungswinkel beschreibt, die Grundlage der Benetzungsbetrachtungen [Zar88].
Dabei werden jedoch vereinfachten Bedingungen, wie ein vorliegendes chemisches
Gleichgewicht und eine vollkommen glatte Oberfläche, angenommen. Darauf aufbauend
finden sich in der Literatur Modelle, wie der Wenzel- oder Cassie-Winkel, die die realen
Bedingungen besser berücksichtigen, jedoch die Wirklichkeit nur teilweise abbilden
können [War09][Yos98]. So verändert sich beispielsweise durch die stattfinden
Diffusionsprozesse die Lotzusammensetzung (Lötgut), was unter anderem zu einer
veränderten Lotviskosität führen kann. Wesentlich Einflussgrößen lassen sich dabei aus
den Fick‘schen Gesetzten ableiten. Die Schwierigkeit bei der Beschreibung ergibt sich
durch die hohe Komplexität und die Vielzahl sich gegenseitig bedingender
Einflussgrößen (Abbildung 1). Prabhu et al. und Shibata et al. versuchen jeweils einen
Überblick über diese Zusammenhänge zu geben [Pra07][Shi04]. In Modellen, die auf
empirisch ermittelten Ergebnissen beruhen, werden viele Einflussgrößen abgebildet.
Bislang konnte jedoch kein Modell entwickelt werden, dass alle Einflussgrößen
berücksichtigt [Con01]. Erschwerend wirkt sich dabei die Eingangswertgenerierung aus,
wobei kein Ansatz alle Einflussgrößen oder zumindest einen entsprechend großen Teil
betrachtet. Dadurch treten starke Abweichungen in den Ergebnissen unterschiedlicher
Quellen bei scheinbar gleichen Ausgangsbedingungen auf. Als Grund wird die

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Einflussanzahl gesehen, die das Erreichen umfassend übereinstimmender Bedingungen
bei den Benetzungsversuchen erschwert [Pra07].
Abbildung 1: Einflüsse des Benetzungs- und Fließverhaltens (GW: Grundwerkstoff)
Am Häufigsten wird der Benetzungsversuch mit einem liegenden Tropfen (sessile drop
method) verwendet. In Vorbetrachtungen werden meist metallischen Schmelzen ähnliche
Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkoholen verwendet [Caz02]. Der Vorteil liegt unter
anderem in den nicht oder nur bedingt stattfinden chemischen Reaktionen, was die
Wirkung einzelner Einflussgrößen besser sichtbar macht. Zudem können die Versuche
bei Raumtemperatur durchgeführt werden [Wei96][Eus01][Eus05]. Bei dem Versuch wird
eine definierte Menge Flüssigkeit, z.B. Wasser und Alkohole bei Raumtemperatur oder
schmelzflüssiges Lot bei erhöhten Temperaturen, auf eine vorbereitete Oberfläche
appliziert. Der Benetzungsvorgang wird mit Hochgeschwindigkeitskameras
aufgezeichnet, wobei Aufnahmen aus verschiedenen Perspektiven möglich sind
[Lan97][Sek08][Wei96]. So lässt sich durch die Betrachtung von oben die flächige
Ausbreitung aufnehmen. Dadurch können die Topografie und der Fortschritt der
Ausbreitungsfront sowie auftretende Effekte, wie Ausfransungen, in Abhängigkeit von der
Zeit aufgezeichnet werden [Caz02][Sek08][Wei96]. Bei der seitlichen Betrachtung des
Lots lässt sich zusätzlich zur Ausbreitung der Kontaktwinkel zwischen der Schmelze und
dem Grundwerkstoff bestimmen [Lan97]. Dieser ist ein häufig verwendetes
Bewertungskriterium für die Benetzung. Auch an schnell erstarrten Benetzungsproben
nach diskreten Zeitabständen lässt sich das Fließverhalten untersuchen [Wei96]. Der