Simulation der Benetzungsvorgänge beim Löten mit metallischen Lotlegierungen auf Basis der klassischen Molekulardynamik
Final Report Abstract
Bei der Benetzung eines Grundwerkstoffs mit einem Lot spielen eine Vielzahl physikalisch-chemischer Vorgänge, wie Diffusion, Reduktion, Verdampfung, Sublimation und Kristallisation, eine Rolle. Aufgrund der Vielzahl der verschiedenen Vorgänge ist das Benetzungsverhalten im Allgemeinen nicht theoretisch vorhersagbar. Es existieren zwar für konkrete Lot-Grundwerkstoff-Systeme analytische und/oder Simulationsmodelle, die für den betrachteten Einzelfall gut geeignet sind, sich aber meistens nicht auf andere Systeme übertragen lassen. Wird das Benetzungsverhalten auf atomarer Ebene betrachtet, reduzieren sich die physikalisch-chemischen Vorgänge auf die Wechselwirkung einzelner Atome. Eine grundlegende Methodik, mit der Wechselwirkungen auf atomarer Ebene untersucht werden können, ist die Molekulardynamik (MD). MD ist eine Computersimulationstechnik, welche auf der numerischen Lösung der Bewegungsgleichungen eines N-Teilchensystems beruht, wobei die betrachten Teilchen Atome, Moleküle und/oder Ionen sein können. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollte untersucht werden, ob sich MD grundsätzlich als Simulationsmethode dazu eignet, das Benetzungsverhalten beim Löten vorhersagen zu können. Zu diesem Zweck wurden für ausgewählte Lot-Grundwerkstoff-Systeme die mittels MD berechneten Ergebnisse mit experimentellen verglichen. Exemplarisch wurde das Benetzen von Eisen mit Silber, Kupfer und Silber-Kupferloten simuliert. Diese Systeme wurden deshalb ausgewählt, weil Kupfer besser als Silber Eisen benetzt und sich die Benetzung verbessert, sobald dem Silber Kupfer beigemengt wird. Der grundsätzliche Nachweis, dass sich MD als eine Methode für die Untersuchung und damit auch für das Verständnis von Benetzungsvorgängen eignet, ist dann erbracht, wenn die Ergebnisse der Simulation das Benetzungsverhalten qualitativ richtig wiedergeben, wie es bei den betrachten Beispielen in der Realität der Fall ist. Quantitative Kriterien, wie der Benetzungswinkel, bedürfen einer weitaus größeren Anzahl an Atomen, die aber mit den heutigen Rechnerleistungen noch nicht ohne Weiteres bewerkstelligt werden kann. Die in diesem Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse zeigen, dass sich MD als eine Methode für die Untersuchung von Benetzungsvorgängen beim Löten eignet. Es kann für alle betrachteten Systeme das Benetzungsverhalten qualitativ vorausberechnet werden. Dass in diesem Forschungsvorhaben nur Silber, Kupfer und Silber-Kupfer-Lote und Eisen als Grundwerkstoff betrachtet wurden, stellt keine Einschränkung dar. Benetzungsvorgänge können mittels MD prinzipiell für alle Systeme simuliert werden, bei denen die Wechselwirkungspotentiale für die einzelnen Atome bzw. Legierungspartner bekannt sind. Somit ist die Methodik, die in diesem Forschungsvorhaben erarbeitet wurde, auch auf andere Lotsysteme übertragbar. Die Arbeiten in diesem Forschungsvorhaben bilden eine erste Grundlage für die Untersuchung und Entwicklung von Lotsystemen und -prozessen mittels MD. Aufbauend hierauf sollten nun weitere Aspekte untersucht werden: • Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurde der Einfluss von Sauerstoff bzw. einer Oxidation auf den Benetzungsvorgang noch nicht mit einbezogen. Da mit MD auch Oxidationsvorgänge simuliert werden können, sollte in einem zukünftigen Forschungsvorhaben untersucht werden, ob sich der Einfluss von Sauerstoff auf das Benetzungsverhalten, wie er in der Realität auftritt, auch mittels einer MD-Simulation berechnen lässt. • Eine weitere Idee ist, einen Lötprozess auf atomarer Ebene zu simulieren, in dem in einer MD-Simulation ein flüssiges Lot zwischen zwei Fügepartnern betrachtet und das ganze System anschließend abgekühlt wird. Möglicherweise lassen die Ergebnisse auf atomarer Ebene durch Extrapolation Rückschlüsse auf die Güte der realen Lotanbindung zu.
