Intermetallische Phasenbildung in den Systemen Silber-Zinn und Nickel-Zinn

Abstract

Bei den in der Elektrotechnik typischen Materialkombinationen Silber-Zinn (Ag-Sn) oder Ni-ckel-Zinn (Ni-Sn) kann es infolge von Diffusionsprozessen im festen Zustand zur Ausbildung und zum Wachstum von intermetallischen Phasen (IMP) kommen. Eine genaue Bestim-mung der Eigenschaften der IMP ist im Materialverbund nicht möglich, weshalb diese in isolierter Form vorliegen müssen. Die Aufgabenstellung war es, die in den Systemen Ag-Sn und Ni-Sn bei <200°C stabil auftretenden IMP zu identifizieren, selektiv herzustellen und physikalisch zu charakterisieren. Die Herstellung erfolgte, indem Doppellagen Ag-Sn bzw. Ni-Sn elektrochemisch auf zuvor metallisierten Glassubstraten abgeschieden und anschlie-ßend wärmebehandelt wurden. Nach der strukturellen XRD-Charakterisierung wurden der spezifische elektrische Widerstand und der Temperaturbeiwert bestimmt. Parallel dazu wur-den die Wachstumskonstanten der IMP im Materialverbund ermittelt. Dadurch konnte abge-schätzt werden, wie groß der Einfluss der gebildeten IMP auf das Langzeitverhalten von elektrischen Betriebsmitteln ist. Berechnungen sowie experimentelle Langzeitversuche an verschiedenen Proben aus der Praxis haben übereinstimmend gezeigt, dass der Einfluss der IMP auf den elektrischen Widerstand als eher gering anzusehen ist. Hervorzuheben ist, dass bei höheren Temperaturen nach einem bestimmten Auslagerungszeitraum die Wachs-tumskonstanten kleiner werden und dass die Wachstumskonstanten von den verwendeten Ausgangsmaterialien abhängen.

For some material combinations typical in electrical engineering, e.g. silver-tin (Ag-Sn) or nickel-tin (Ni-Sn), due to solid state diffusion processes, the formation and growth of inter-metallic phases (IMPs) may occur. An exact determination of the properties of the IMPs is only possible when they are available in an isolated form. The objective of this work was to identify stable IMPs in the Ag-Sn and Ni-Sn systems < 200°C, to selectively synthesize them and to physically characterize them. The synthesis was performed by electrochemical-ly depositing double layers of Ag-Sn or Ni-Sn on previously metallized glass substrates fol-lowed by a heat treatment. The heat-treated IMP samples were structurally characterized by means of X-ray diffraction analysis, followed by the determination of electrical resistivity and the corresponding temperature coefficient. The growth constants of the IMPs were de-termined within bimetallic industrial samples. The data obtained allows to estimate the influ-ence of IMP formation on the long-term behavior of electrical components. Both calculations and long-term experimental tests on several types of industrial samples consistently dis-played that the influence of IMPs on electrical resistance is rather small. It should be em-phasized that at higher temperatures the growth constants become smaller after a certain ageing period and that growth constants are dependent on starting materials.