Evolution der Technik: Iver Anderson holt sich die Führung beim Elektroniklot

Dec 21, 2023

Iver Anderson, Erfinder. Von der Website der National Inventors Hall of Fame.

Beim Löten handelt es sich um den Prozess, bei dem zwei Gegenstände miteinander verbunden werden, indem ein Füllmetall mit niedrigem Schmelzpunkt geschmolzen und flüssiges Metall auf die Verbindung gegossen wird. Dieser Prozess wird heute in vielen wichtigen Metallbearbeitungsprozessen eingesetzt, von der Herstellung elektronischer Geräte bis zur Installation von Sanitärrohren. Hinweise auf primitive Löttechniken reichen jedoch Jahrtausende zurück und stammen aus dem antiken Mesopotamien.

Lange Zeit beruhten viele der in verschiedenen Branchen verwendeten Lötprozesse auf der Verwendung von Loten auf Zinn-Blei-Basis, deren Gesundheits- und Umweltauswirkungen zur Verabschiedung von Gesetzen wie dem Safe Drinking Water Act von 1986 führten. Lote auf Bleibasis waren ein Hauptverursacher von Blei, das in die Wasserversorgung gelangt, und solche Lote und Rohre haben zu Gesundheitskrisen wie dem hohen Bleigehalt im Trinkwasser von Flint, MI, beigetragen. Ein hoher Bleigehalt im menschlichen Körper kann bei Kindern zu Entwicklungsstörungen sowie bei Erwachsenen zu Bluthochdruck und Nierenschäden führen.

Am vergangenen Sonntag, dem 18. Juni, jährte sich zum 21. Mal die Erteilung eines wichtigen Patents zum Schutz eines bleifreien Lots, das in der Elektronikfertigung und anderen Branchen große Anwendung findet. Sein Erfinder, Professor und Metallurge Iver Anderson, ist einer der 2017 in die National Inventors Hall of Fame aufgenommenen Personen. Heute verwenden 70 Prozent der weltweit hergestellten elektronischen Produkte das bleifreie Lot von Anderson. Die Lizenzgebühren aus dem Patent, das 2013 auslief, belaufen sich auf über 58 Millionen US-Dollar und machen es zum wertvollsten Patent in der Geschichte des Ames Laboratory und der Iowa State University, den Einrichtungen, in denen Anderson die Forschung und Entwicklung seiner Erfindung abgeschlossen hat.

In der Welt der Elektronik ist das Löten ein entscheidender Schritt, um die vielen winzigen elektronischen Komponenten im Gerät so zu verbinden, dass ein elektrischer Strom fließen kann, der die elektronischen Funktionen des Geräts ermöglicht. Schaltkreise können auf lötfreien Steckbrettern erstellt werden, aber ohne Lötzinn verschlechtert sich ein Schaltkreis im Laufe einiger Tage. Obwohl Löten auch zum Verbinden von Rohren im Sanitärbereich eingesetzt wird, unterscheidet sich die Art des verwendeten Lots. Für Elektronikanwendungen verwendetes Lot hat eine viel kleinere Stärke als Sanitärlot und Sanitärlot verwendet eine saure Flussmittelkomponente, die für elektronische Anwendungen zu korrosiv ist.

Viele Jahre lang waren bleibasierte Materialien aus mehreren Gründen die beliebteste Wahl zum Löten in Elektronikanwendungen. Bleibasierte Lote waren kostengünstig, hatten einen niedrigen Schmelzpunkt, eine hohe Festigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit. Obwohl das Wissen über die giftigen Auswirkungen von Blei auf Mensch und Umwelt im Laufe des 20. Jahrhunderts zunahm, gab es keine bleifreien Lote mit ähnlichen Eigenschaften wie Lote auf Bleibasis, die den Einsatz von Blei in Elektronikprodukten ersetzen könnten.

In den späten 1990er Jahren unternahm die US-amerikanische Mikroelektronikindustrie Schritte zur Entwicklung bleifreier Lösungen zum Löten elektronischer Komponenten. Mit den 1997 von der Association Connecting Electronics Industries (IPC) entwickelten Elektronikstandards begann die Abkehr der Elektronikindustrie von der Verwendung von bleihaltigem Lot als Reaktion auf den Druck der Gesetzgebung und Regulierung. Nach Angaben des National Institute of Standards and Technology (NIST) wurde der Bedarf der Branche an Materialdaten zu bleifreien Loten auch in der International Technology Roadmap for Semiconductors von 1999 festgelegt.

Auf internationaler Ebene hat sich das regulatorische Umfeld für die Verwendung von bleihaltigen Loten in der Elektronikfertigung im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts verschärft. Im Februar 2003 erließ die Europäische Union ein Gesetz, das die Herstellung von bleihaltigen Elektronikprodukten oder den Versand solcher Produkte in die EU verbot; Dieses Gesetz trat im Juli 2006 in Kraft. Bis Ende der 1990er Jahre beschlossen die japanischen Regulierungsbehörden außerdem, den Bleigehalt in der Elektronikfertigung zu reduzieren.

Ende der 1990er Jahre hatte Iver Anderson jedoch bereits das bleifreie Lot entwickelt, das innerhalb von etwa zwei Jahrzehnten zum branchenführenden Lötprodukt werden sollte. Anstelle einer Zinn-Blei-Legierung konzentrierten sich Anderson und sein Forschungsteam auf die Verwendung einer Zinn-Silber-Kupfer-Legierung (Sn-Ag-Cu) zum Löten. Ähnlich wie die frühere Version auf Bleibasis verhielt sich das Zinn-Silber-Kupfer-Lot wie ein reines Metall mit einem einzigen Schmelzpunkt.

Andersons Entdeckung entstand tatsächlich aus einem Fehler, den er in den damals verwendeten ternären Zinn-Silber-Kupfer-Diagrammen sah. Obwohl die Schmelztemperatur der Sn-Ag-Cu-Legierung 30 °F höher war als die von bleibasierten Legierungen, war sie immer noch viel niedriger als bisher angenommen und bei einer Temperatur, die niedrig genug war, dass typische elektronische Komponenten für Schaltkreise und Geräte tolerieren konnten. Anderson und sein Team experimentierten auch mit der Verbesserung der mechanischen und Temperaturstabilitätseigenschaften des Lots, indem sie das Material mit Nickel, Zink und/oder Aluminium dotiert hatten.

Die Forschung von Anderson und seinem Team führte zur Erteilung des US-Patents Nr. 5527628 mit dem Titel Pb-Free Sn-Ag-Cu Ternary Eutectic Solder, erteilt am 18. Juni 1996. Es beanspruchte ein bleifreies elektrisches Leiterlot, das im Wesentlichen aus … etwa 3,5 bis 7,7 Gewichtsprozent Silber, etwa 1 bis 4 Gewichtsprozent Kupfer und mindestens etwa 89 Gewichtsprozent Zinn, um die Bildung intermetallischer Verbindungen zu fördern, die die Lötfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit verbessern. Das Patent weist außerdem darauf hin, dass das erfundene Lot kostenmäßig mit Loten auf Bleibasis konkurrenzfähig ist und für den Einsatz in großen Mengen leicht erhältlich ist.

Angesichts der Lizenzgebühren allein für dieses Patent, die sich auf zweistellige Millionenbeträge belaufen, ist klar, dass die Arbeit von Anderson und dem Forschungsteam der University of Iowa einen enormen Wert für die Industrie hatte. Dies ist angesichts der Tatsache interessant, dass diese Erfindung derjenigen sehr ähnlich zu sein scheint, die vom Obersten Gerichtshof der USA im Fall Mayo Collaborative Services gegen Prometheus Laboratories für nicht patentfähig erklärt wurde, wo das Gericht feststellte, dass es sich um ein Patent handelt, das einen weniger invasiven Bluttest zur Diagnose fetaler Erkrankungen abdeckt Bedingungen waren ungültig, weil sie ein Naturgesetz beinhalteten.

Es wird erwartet, dass die zukünftige Entwicklung bleifreier Lote die Leistung für erweiterte Verbraucheranwendungen verbessern wird, darunter Automobilelektronik und robustere elektronische Geräte. Seit seiner Aufnahme in die National Inventors Hall of Fame im Jahr 2017 hielt Anderson 39 Patente. Im Jahr 2010 erhielt er den Iowa State University Award for Achievement in Intellectual Property. Im Jahr 2015 wurde Anderson als Fellow der Mineral, Metals and Materials Society anerkannt.

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