Elektronenmikroskopische Untersuchung der intermetallischen Phase Kupfer-Zinn (IMP Cu-Sn)

Glas-Linse - Hergestellt durch Präzisionsblankpressen.

Zinn-Kupfer-Grenzflächen spielen in vielen Bereichen der Elektronik oder elektrischer Kontakte eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Feuerverzinnung von Kupferwerkstoffen oder beim Löten. Wichtige Eigenschaften dieser Schichtsysteme werden nicht zuletzt auch durch die Bildung einer intermetallischen Phase zwischen Zinn und Kupfer bestimmt.

Einerseits ist diese intermetallische Phase erwünscht, da sie für eine gute Anhaftung des Zinnes auf der Kupferoberfläche sorgt. Andererseits kann die intermetallische Phase zu Problemen führen, wenn die verbleibenden Rest-Zinnschicht zu dünn ist, oder sich im Bereich der Kupfer-Zinn Grenzfläche ein Porensaum bildet (Kirkendall Effekt). Eine zu dünne Rest-Zinnschicht kann zu einer deutlich schlechteren Lötbarkeit führen. Bei elektrischen Kontakten oder auch bei Steckverbindern führen oberflächlich oxidierte Kupferanteile der intermetallischen Phase zu einer schlechteren Leitfähigkeit und somit zu erhöhten Kontaktwiderständen. Die Bildung von Poren im Bereich der Grenzfläche kann zu einem Ablösen der Beschichtung führen.

Um die individuelle Ausprägung der intermetallischen Sn-Cu-Phase untersuchen zu können müssen Querschnitte der Probe hergestellt und untersucht werden. Dies kann durch klassisches Schleifen und Polieren geschehen, gerade das Zinn ist aufgrund seiner hohen Duktilität jedoch nur schwer erstellen. Besonders hochwertige Querschnitte, die viele Details auch bei dünnen Schichtsystemen zeigen, lassen sich jedoch mittels Ionenpolieren bzw. Ionenschneiden erstellen.

Das Bild zeigt die intermetallische Phase zwischen dem Kupfer-Substratwerkstoff und der Zinnschicht. Sowohl im Substrat wie auch in der Beschichtung ist die Struktur des Gefüges erkennbar. Die intermetallische Phase besteht aus der buckelförmigen, kupferärmeren η-Phase (Cu6Sn5) und der kupferreicheren ε-Phase (Cu3Sn). Die ε-Phase entsteht typischerweise erst nach längerer thermischer Behandlung.

REM Abbildung der intermetallischen Phasen Kupfer-Zinn (CuSn)
REM Abbildung der intermetallischen Cu-Sn-Phasen. Querschnitt präpariert mittels Ionenätzen.

 

Gleichermaßen können auch andere intermetallische Phasen, zum Beispiel zwischen Zinnverbindungen und Nickelschichten bzw. Nickeloberflächen untersucht werden.

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