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Forscherteam aus Stuttgart und den USA untersucht, wie Zinnhaare
entstehen >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Haarwuchs durch Spannungsunterschiede
Satelliten quittierten den Dienst und die US-Gesundheitsbehörde
rief Tausende Herzschrittmacher zurück, weil Haare aus Zinn, im Fachjargon
Whisker genannt, die Elektronik der Geräte kurzschlossen. Die fatalen
Härchen sind nur wenige Mikrometer fein, jedoch teilweise bis zu einigen
Millimetern lang, und sie „sprießen“ aus Zinnschichten hervor,
die zum Löten und Beschichten von elektronischen Komponenten aus Kupfer
eingesetzt werden. Materialwissenschaftler aus Stuttgart und den USA haben
jetzt in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH detailliert die Kräfte
gemessen, die den metallischen Haarwuchs auslösen. Dies ist ein erster
Schritt, um etwas dagegen zu unternehmen.
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Das Team um Eric J. Mittemeijer, Direktor
am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung und Lehrstuhlinhaber
am Institut für Materialwissenschaft der Uni, fand gemeinsam mit
Kollegen der Robert Bosch GmbH, des Argonne National Laboratory in Illinois
und des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee heraus, dass für
den „Haarwuchs“ der Druck der Zinnatome am Boden der Schicht
größer sein muss als an der Oberfläche. Gleichzeitig
muss an der Oberfläche, in der Ebene der Schicht, ein Druckunterschied
bestehen: An der Wurzel eines Zinnhaars muss der Druck kleiner sein als
weiter davon entfernt. „Das lässt sich mit einer Zahnpastatube
vergleichen“, sagt Matthias Sobiech, der die Experimente vorgenommen
hat. „Wenn man seitlich drückt, kommt oben Zahnpasta raus. Die
Spannung baut sich auf, weil an der Grenze zwischen Zinn und Kupfer eine
intermetallische Verbindung entsteht, die sich in die Zinnschicht hineinschiebt.
Das detaillierte Bild von der Spannungsverteilung in der Zinnschicht lieferten
Röntgenuntersuchungen. Die Druckunterschiede zwischen Boden und Oberfläche
der Zinnschicht ermittelten die Forscher in ihrem Labor in Stuttgart, indem sie
Schicht für Schicht die vertikalen mechanischen Spannungsunterschiede bestimmten.
Um die Spannungsverteilung in der Ebene um ein wachsendes Zinnhaar zu messen,
musste eine Methode mit einer sehr hohen Ortsauflösung unterhalb des Mikrometerbereiches
angewendet werden. |
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen
verdeutlichen
die große
Formenvielfalt von Zinnhaaren.
(Fotos: Max-Planck-Institut für Metallforschung) |
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Diese Mikro-Spannungsmessungen nahmen die
Wissenschaftler am Argonne National Laboratory mit Hilfe der so genannte „Mikro-Laue-Beugungsmethode“ vor:
Ein sehr feiner Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von circa 300
Nanometern rasterte in sehr kleinen Schritten die Umgebung eines wachsenden
Zinnhaares ab, und ein empfindlicher Detektor zeichnete die lokalen Spannungen
Punkt für Punkt auf. „Wir haben zum ersten Mal nachgewiesen,
dass sich Zinnhaare auf Schichten bilden, die deutliche mechanische Spannungsunterschiede
aufweisen, und dass diese Differenzen die Triebkraft für das Wachstum
der Zinnhaare sind“, so Mittemeijer.
Der genaue Blick auf die Spannungsverhältnisse in einem Material verrät
viel über die Kräfte, die an elektronischen oder mechanischen
Mikrosystemen zerren und möglicherweise deren Funktion beeinträchtigen. „Wir
hoffen, dass unsere Erkenntnisse helfen, elektronische Bauteile wirksam
vor dem Wachstum der Zinnhaare zu schützen“, sagt Matthias Sobiech. „Denn
wir wissen jetzt, dass es darauf ankommt, die Unterschiede der Spannung
in der Schicht abzubauen.“ Wie das konkret gelingen könnte,
wollen die Forscher nun untersuchen. uk |
Modell der Triebkräfte für spontanes Zinnhaarwachstum auf
zinnbeschichtetem Kupfer. |
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KONTAKT
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Prof. Eric J. Mittemeijer
Institut für Materialwissenschaft
Tel. 0711/689-3311
e-mail: e.j.mittemeijer@mf.mpg.de
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