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bis 2011:






    Oberflächentechnik für die Verarbeitung bleifreier Lote in Lötmaschinen

Förderinstitution: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften (AiF) - DVS
Projektnummer:  AiF-Nr. 49 ZBG / DVS-Nr. 7.1 IP

Laufzeit: 01.03.2001 – 30.04.2003

Ansprechpartner: Gruppenleiter Thermisches Spritzen

Kooperationspartner: Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe der TU Chemnitz, Institut für Werkstoffkunde der Universität Hannover, Innobraze GmbH, Euromat, Eutect GmbH, Ersa GmbH, dmc2 AG

Kurzbeschreibung:

Beschreibung:
Ab dem Jahr 2006 sollen bleifreie Lote die bislang üblichen Sn-Pb-Lote ersetzen. Aus diesem Grund besteht dringender Bedarf an der Charakterisierung des Einflusses der bleifreien Lote auf die eingesetzten Lötanlagen. Die Umstellung auf SnCu- bzw. SnCuAg-Lote erfordert erhöhte Prozesstemperaturen, die wiederum das Ablegieren von Kupfer, Gold, Palladium etc. aus den zu lötenden Bauelementen im Vergleich zu den bleihaltigen Systemen drastisch beschleunigen. Zudem kommt es zu verstärkten Wechselwirkungen zwischen Lotbad und Anlagenkomponenten, was sowohl zur Schädigung der Anlage als auch zur Verunreinigung des Lotbades führt.

Das Forschungsziel bestand darin, Anlagenkomponenten für die Verarbeitung bleifreier Lote (SnCu0,7) bei Verarbeitungstemperaturen von 300 °C (für einige wenige Anwendungen auch bis 560 °C) durch Beschichtungen so zu schützen, dass die angestrebte Einsatzdauer von 24 Monaten erreicht wird und das Lot keine Wechselwirkungen mit den Anlagenkomponenten eingeht.
Als Substratwerkstoff hat sich der rost- und säurebeständige Edelstahl 1.4571 (X6 CrNiMoTi 17 12 2) bei der Verarbeitung bleihaltiger Lote bewährt. Durch den hohen Chromgehalt bildet sich eine stabile Chromoxidschicht; der Stahl passiviert. Titan erhöht als starker Karbidbildner die Warmfestigkeit. Die Verwendung von Baustählen wird aufgrund der unzureichenden mechanischen und chemischen Eigenschaftskennwerte nicht empfohlen. Vom Einsatz der Titanwerkstoffe ist trotz deren prinzipieller Eignung abzuraten, da die Materialkosten in Verbindung mit den Beschich-tungskosten zu einem inakzeptablen Preis des Endproduktes führen.

Die folgenden Schichten bzw. Schichtsysteme wurden weiterentwickelt und appliziert:

1 Chromoxidschichten (oxidierend geglüht)
2 Galvanische Chromschichten (Hartchrom, Heiß-/Hartchrom-Kombischichten)
3 Oxidierte und plasmanitrierte gal Hartchromschichten
4 Siliziumdioxidschichten (CVD-Prozess, unterstützt durch atmosphärisches Plasma)
5 Anorganische Polymerschichten („Silox“-Schichten durch manuelles Beschichten)
6 Multilayerschichten aus Cr/CrN (PVD-Verfahren)
7 Thermisch gespritzte Schichten (APS Beschichtungsprozess mit Bondlayer und Al2O3-basierten Schichtsystemen)

Vom Stangenmaterial (eckig und rund) des Stahles 1.4571 wurde durch Schleifen die Walzhaut entfernt. Die Probenvorbereitung für thermisch gespritzte Schichten erfolgt über das Strahlen mit Edelkorund. Metallisch reine, saubere und leicht angeraute Oberflächen bieten die Voraussetzung für eine gute Haftung der thermisch gespritz-ten Schicht bzw. des Schichtsystems.

Galvanische Chromschichten (Hartchrom, Heiß-/Hartchrom-Kombischichten) lassen sich mit etablierten, variablen Beschichtungsverfahren herstellen. Zu berücksichtigen ist in jedem Fall die starke Wasserstoffmitabscheidung, der durch konstruktive und technologische Maßnahmen begegnet werden muss. Für Innenbeschichtungen ist die Fertigung und der Einsatz von Formanoden nötig. Die Chromschichten haben sich bei Einsatztemperaturen bis 300 °C über 200 h (statisch und dynamisch) bewährt. Der Schutzmechanismus besteht in der Bildung einer gut haftenden, mechanisch belastbaren Chromoxidschicht. Oberhalb der genannten Temperatur setzt die Auflösung der Chromoxidschicht ein.

Mittels Arc-PVD-Beschichtungsverfahren (physikalische Dampfphasenabscheidung) wurden Multilayerschichten aus Cr/CrN aufgebracht. Auf Grund des verfahrensbe-dingten, eingeschränkten Umgriffs können nur hinterschneidungsfreie Bauteile fehlerfrei beschichtet werden. Die erforderliche Vakuumtechnik ist der limitierende Faktor für die Bauteilgröße. Diese Schichten haben sich bei Temperaturen bis zu 350 °C über 200 h unter statischer und dynamischer Auslagerung bewährt. Bei höheren Temperaturen löst sich die Nitridschicht sukzessive auf.

Anorganische Polymerschichten lassen sich relativ einfach auftragen und erfordern keine aufwendig einzustellenden Verarbeitungsbedingungen. Sie benetzen das Substrat sehr gut und sind hinsichtlich der Schichtdicke variabel einstellbar. An die Güte der Oberfläche und auch an die Oberflächengeometrie werden keine besondere Anforderungen gestellt. Die angewandten Schichten haben sich sowohl in statischen als auch in dynamischen Untersuchungen bei Temperaturen bis 350 °C über 200 h bewährt. Kurzzeitige Temperaturerhöhungen sind unkritisch, jedoch tritt oberhalb von 400 °C ein Umwandlungsmechanismus auf, der zu Blasen und Rissen in der Schicht führt.

Mit dem atmosphärischen Plasmaspritzen (APS) werden hohe Auftragsraten reali-siert. Das technologisch und ökonomisch günstigste Schichtsystem für die betrachte-ten Anwendungen besteht aus einem NiCr-Bondlayer (80/20) und einer keramischen Schicht aus Al2O3+TiO2 (87/13). Es wurde eine gute Substrathaftung und eine gute Thermoschockbeständigkeit erzielt. Thermisch gespritzte Schichten erfordern eine spritzgerechte Konstruktion, d.h. insbesondere eine Vermeidung von Hinterschneidungen und engen Radien. Unter allen Untersuchungsbedingungen hat sich dieses Schichtsystem hervorragend bewährt. Es kann bis zu Temperaturen von 550 °C eingesetzt werden.

Mit der AP CVD Technik (chemische Gasphasenabscheidung unter Atmosphären-plasma) steht ein Verfahren bereit, dass mit niedrigen Verarbeitungstemperaturen (300 °C) einen guten Umgriff auf alle zugänglichen Oberflächen eines Bauteils mit beliebig komplexer Geometrie ermöglicht. Die Schichterzeugung erfolgt unter Normaldruck (kein Vakuum erforderlich), was sich äußerst günstig auf den Preis auswirkt. Die untersuchten Quarzschichten (SiO2) sind sehr dünn, haften sehr gut, sind quasi-duktil und durch das Lot schlecht benetzbar. Sie haben sich bis zu Temperaturen von 550 °C bewährt.

Untersuchungen bei Temperaturen bis 300 °C mit Flussmitteln auf Kolophoniumbasis (ZS 3000 und L-3 Circures Standard S) haben gezeigt, dass keine negativen Auswirkungen auf die Schichten bestehen.
Der prinzipielle Nachweis der Eignung verschiedener Oberflächenbeschichtungsverfahren für Lötanlagenkomponenten wird damit erbracht. Es werden Schichten bereit gestellt, die metallurgische Wechselwirkungen zwischen Lotbad und Lotanlagenkomponenten wirksam behindern. Selbstverständlich müssen alle Schichtsysteme unter realen Bedingungen über einen Zeitraum von 2 Jahren qualifiziert werden, um eine abschließende Beurteilung über deren Wirksamkeit vornehmen zu können. Dieser Qualifizierungsprozess hat bereits bei Firmen aus dem Projektbegleitenden Arbeitskreis begonnen.

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