Warum es im Handy Phosphor braucht

Phosphor ist entzündlich, brennbar und kann leicht verdampft werden - Dennoch spielt das chemische Element bei Lötverbindungen in der Elektronik eine entscheidende Rolle

Ist Ihnen auch schon einmal ein Handy zu Bruch gegangen? Womöglich fiel Ihnen unter den Bestandteilen ein Bauteil auf: ein quadratischer Chip mit vielen Lötverbindungen an der Unterseite - ein sogenannter "Ball Grid Array", auf Deutsch eine Kugelgitteranordnung bzw. eine Gehäuseform von integrierten Schaltungen.

Chips dieser Art ermöglichen eine große Zahl elektrischer Kontakte auf engstem Raum. Die Lötkugeln stellen dabei den elektrischen Kontakt zwischen Chip und Platine her und halten ihn auch an seinem Platz. Lötstellen sind aber leicht verwundbar, durch mechanischen Schock, Erschütterungen oder abrupte Temperaturwechsel.

Chemisch betrachtet haben die Kontaktflächen auf der Platine eine Nickel-Phosphor-Oberfläche. Phosphor kommt in vielen biologischen Molekülen (unter anderem auch der DNA) vor. Er ist als reines chemisches Element aber entzündlich, brennbar und kann leicht verdampft werden. Phosphor wird aber auch als Legierungsbestandteil in der Elektronik verwendet.

Spröde Verbindungen

Dies liegt an der guten Lötbarkeit von Nickel-Phosphor-Legierungen und der leichten Aufbringung auf Kupferoberflächen, dem Grundmaterial für Leiterbahnen. Während des Lötens kommt es zu chemischen Reaktionen mit den festen Kontaktmaterialien. Dabei entstehen spröde Verbindungen, die bei mechanischer Belastung - also wenn das Handy runterfällt - brechen können.

Bei der Auswahl der zu kombinierenden Materialien müssen Kompromisse zwischen den gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften, den Anforderungen der Produktion und dem Verhalten während der Nutzung geschlossen werden. Genau das ist ein Forschungsschwerpunkt am Institut für Anorganische Chemie der Universität Wien. Die Basis für Forschung an Legierungen ist die Erstellung des jeweiligen Phasendiagramms, das in seiner Funktion mit einer Landkarte verglichen werden kann.

Anstelle von Flüssen, Straßen und Städten zeigt es Schmelztemperaturen, chemische Verbindungen, Materialumwandlungen und andere für die Materialentwicklung wichtige Parameter. Das Nickel-Phosphor-Zinn-Phasendiagramm ermöglicht das Verständnis von Vorgängen beim Löten von Nickel-Phosphor-Oberflächen mit Zinn-basierten Loten.

Arbeiten mit Phosphor ist freilich besonders kompliziert. Die Herstellung der Nickel-Phosphor-Zinn-Legierungen im Labor erfordert das Aufschmelzen der drei Elemente in einem vakuumdicht verschlossenen Tiegel. Phosphor wechselt schon bei sehr niedrigen Temperaturen in einen gasförmigen Aggregatzustand über. Dadurch steigt der Druck im Reaktionsgefäß stark an, was mitunter zur Explosion führen kann. Daher lag die bisherige Arbeit vorrangig auf nickelreichen Legierungen.

Erkenntnisse über Lötstellen

Noch sind die letzten wissenschaftlichen Rätsel des Nickel-Phosphor-Zinn-Systems daher auch dieser Lotverbindung nicht gelöst. Die meisten Verbindungen sind spröde, was die Festigkeit der Lötstelle beeinflusst. Eine genauere Kenntnis des entsprechenden Phasendiagramms sowie der Eigenschaften der Verbindungen wird das Verstehen der Lötstelle und ihres Verhaltens ermöglichen.

Das wiederum führt zu Verbesserungen im Lötprozess und damit am Produkt und erhöht so die Zuverlässigkeit und die Haltbarkeit elektronischer Geräte. Vielleicht wird Ihr Handy den nächsten Absturz in ein paar Jahren unbeschädigt überstehen. (Clemens Schmetterer, DER STANDARD, Print-Ausgabe, 30. Juni 2010)