Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMBewertung neuer Schichtsysteme auf CuSn-Basis
Abb. 1: Elektrolytisch abgeschiedene CuSn-Schicht ohne (links) und mit (mitte) Zugabe von Glanzbildnern und Tensiden. Die Zusätze im Elektroly bewirken eine Einebnung der Schicht. Eine kombinierte Analyse erlaubt die Bestimmung der Phasen in der Schicht, hier nach Wärmebehandlung (rechts).
In einer Vielzahl von Anwendungen werden Nickel-Schichten eingesetzt, da sie eine gute Korrosionsbeständigkeit zeigen und sich bestimmte Eigenschaften gezielt einstellen lassen, wie Härte oder Glanzgrad. Da Nickel-Schichtsysteme, Kontaktallergien auslösen können und Nickelsalze als Produktionsmittel zunehmend strengere Auflagen erfüllen müssen, ist ihr Einsatz allerdings problematisch. In einem vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt werden am Fraunhofer IPA galvanische Kupfer-Zinn-Schichten entwickelt, die in Produktion und Anwendung möglichst umweltverträglich sind. Am Fraunhofer IWM werden die Mikrostruktur und Eigenschaften der Schichten untersucht.
Anhand einer Phasenanalyse mittels Röntgenbeugung wurde ein Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung und Phasenzusammensetzung der Schicht ermittelt, wobei je nach Cu-Gehalt δ-Bronze, η- Bronze oder elementares Zinn analysiert wurde. Insbesondere elementares Zinn soll aufgrund der schlechten physikalischen und mechanischen Eigenschaften vermieden werden.
Abb. 2: Versagensbild einer hier spröden Schicht nach Kugeleindruckversuch mit definierter Last.
Abbildung 1 zeigt (links und mitte), dass je nach Elektrolytzusammensetzung matte (auf Mikroskala wellige) oder glänzende, somit einebnende Schichten hergestellt werden können. Die mechanischen Eigenschaften werden mittels Nanoindenter analysiert. Mittels Kugeleindruckversuchen und anschließender optischer Analyse wird Rissbildung und ein mögliches Abplatzen der Schichten bei verschiedenen Lasten untersucht. Abbildung 2 zeigt exemplarisch eine spröde Schicht nach Kugeleindruckversuch.
Die Langzeitbeständigkeit des CuSn-Schichtsystems auf Messing- und Stahlsubstrat wird in Auslagerungsversuchen analysiert. Abbildung 1 rechts zeigt das Ergebnis einer kombinierten Analyse aus Elektronenrückstreubeugung (EBSD), Elementaranalyse (EDX) und Röntgenbeugung (XRD) zur lokalen Identifikation der Einzelphasen, hier nach Warmauslagerung. Eine Separation von Phasen in der Schicht wird bei Temperaturen von 400°C beobachtet. Auch wenn die Schichten nicht bei diesen hohen Temperaturen eingesetzt werden, kann die thermodynamische Stabilität des Schicht-Substrat-Systems durch Auslagerungsversuche bei verschiedenen Temperaturen bewertet werden.
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