Chemie für Elektroniker

Elektronik ist angewandte Physik – aber fast jedes Bauteil entsteht durch Chemie und viele funktionieren nur durch sie. Die Kupferbahnen deiner Platine werden geätzt, Lötzinn braucht Flussmittel, ein Elektrolytkondensator lebt von einer hauchdünnen Oxidschicht, und jede Batterie ist ein kleiner chemischer Reaktor. Dieser Artikel gibt dir das Handwerkszeug, um die übrigen Artikel des Kapitels mühelos zu lesen.

Chemie ist die Lehre davon, wie Stoffe aufgebaut sind, wie sie sich verhalten und wie sie sich ineinander umwandeln. Für die Elektronik besonders wichtig ist ihr Teilgebiet Elektrochemie: Sie untersucht, wie elektrischer Strom chemische Reaktionen antreibt und wie umgekehrt Reaktionen Strom liefern – die Grundlage von Batterien, Galvanik und Korrosionsschutz.

Elemente, Verbindungen und Gemische

Ein Element besteht aus Atomen mit gleicher Zahl an Protonen im Kern – Kupfer hat 29, Silizium 14. Diese Ordnungszahl bestimmt die Stellung im Periodensystem und damit fast alle chemischen Eigenschaften. Wie ein Atom aufgebaut ist, beschreibt der Artikel Atome, Elektronen und Ionen.

Gehen verschiedene Elemente eine feste Bindung ein, entsteht eine Verbindung mit ganz neuen Eigenschaften: Aus dem Halbleiter Silizium und dem Gas Sauerstoff wird Siliziumdioxid, ein hervorragender Isolator.

Ein Gemisch dagegen lässt sich physikalisch trennen und behält die Eigenschaften seiner Bestandteile. Luft ist ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon; Lötzinn (etwa Sn96,5Ag3Cu0,5) ist eine Legierung, also ein metallisches Gemisch; das Epoxidharz-Glasfaser-Laminat FR4 ein Verbundwerkstoff.

So ergibt sich eine einfache Ordnung: Jeder Stoff ist entweder ein Reinstoff oder ein Gemisch. Reinstoffe sind Elemente – unterteilt in Metalle wie Kupfer und Nichtmetalle wie Sauerstoff – oder Verbindungen. Bei den Verbindungen unterscheidet man organische, die auf Kohlenstoffgerüsten aufbauen (Kunststoffe, Flussmittelharze, Lösungsmittel), und anorganische wie Oxide, Säuren und Salze.

Das Periodensystem

Alle 118 bekannten Elemente stehen im Periodensystem, geordnet nach steigender Ordnungszahl. Jede Zeile (Periode) beginnt mit einer neuen Elektronenschale, und untereinander in einer Spalte (Gruppe) stehen Elemente mit gleich vielen Valenzelektronen und deshalb ähnlichem chemischem Verhalten. Üblich ist die Form mit 18 Gruppen; die Lanthanoide und Actinoide, die eigentlich in die sechste und siebte Periode gehören, stehen platzsparend in zwei Zeilen darunter. Schreibt man sie dazwischen, entsteht die lange Form mit 32 Spalten.

Eine Handvoll Elemente prägt die Elektronik besonders:

• Silizium ist der Grundstoff fast aller Dioden, Transistoren und integrierten Schaltungen; Germanium war das Halbleitermaterial der ersten Transistoren und dient heute vor allem in Silizium-Germanium-Schichten für Hochfrequenz.
• Kupfer leitet in Kabeln und Leiterbahnen, Silber leitet noch etwas besser und steckt in Kontakten und Leitpasten.
• Gold leitet schlechter als Kupfer, korrodiert aber nicht – deshalb vergoldet man Kontakte und verbindet Chips mit Bonddrähten.
• Aluminium bildet die Leiterbahnen auf vielen Chips, Bonddrähte in Leistungshalbleitern und die Folien im Elko.
• Zinn ist der Hauptbestandteil von Lot.

Valenzelektronen entscheiden alles

Die Elektronen eines Atoms ordnen sich in Schalen. Chemisch und elektrisch interessant ist fast nur die äußerste, die Valenzschale. Ihre Elektronen bestimmen, wie ein Atom Bindungen eingeht und ob ein Stoff leitet.

Für die Elektronik sind drei Spalten des Periodensystems besonders wichtig:

Metalle wie Kupfer, Silber und Aluminium haben dagegen nur ein bis drei locker gebundene Valenzelektronen. Diese lösen sich im Metallgitter von ihren Atomen und bilden ein frei bewegliches „Elektronengas“ – deshalb leiten Metalle so gut. Mehr dazu in Aufbau der Stoffe.

Oxide, Säuren, Basen und Salze

Vier Stoffklassen begegnen dir im Labor und in Datenblättern immer wieder:

• Oxide sind Verbindungen eines Elements mit Sauerstoff – Siliziumdioxid als Isolator im Chip, Aluminiumoxid als Dielektrikum im Elko, Kupferoxid als Anlauffarbe auf der Platine.
• Säuren geben in Wasser Protonen (H⁺) ab, etwa Schwefelsäure im Bleiakku oder Salzsäure in manchen Ätzbädern.
• Basen nehmen Protonen auf. In Wasser gelöst heißen sie Laugen – Kalilauge ist der Elektrolyt der Alkali-Batterie, Natronlauge entwickelt den Fotolack beim Platinenbelichten.
• Salze bestehen aus positiven Metall- oder Ammonium-Ionen und negativen Säurerest-Ionen. Beispiele sind Kupfersulfat im Galvanikbad, Kochsalz und Eisen(III)-chlorid.

Oxidation und Reduktion

Die wichtigste Reaktionsart für Elektroniker ist die Redoxreaktion: Ein Stoff gibt Elektronen ab (Oxidation), ein anderer nimmt sie auf (Reduktion). Beide Hälften laufen immer gemeinsam ab – Elektronen verschwinden nicht, sie wechseln nur den Besitzer.

Lässt du diese Elektronen nicht direkt von Atom zu Atom springen, sondern zwingst sie durch einen äußeren Draht, hast du eine Stromquelle: Das ist das Prinzip der galvanischen Elemente. Umgekehrt kannst du mit einer äußeren Spannung Redoxreaktionen erzwingen, die freiwillig nicht ablaufen würden – das ist die Elektrolyse.

Eine Eselsbrücke: Oxidation = Elektronen abgeben, Reduktion = Elektronen aufnehmen. Wer oxidiert wird, ist das Reduktionsmittel – und umgekehrt.

Chemie auf der Platine

Viele Schritte der Leiterplattenfertigung sind reine Chemie:

• Ätzen: Das Kupfer, das nicht zur Leiterbahn gehört, wird weggelöst – industriell meist mit ammoniakalischer Kupferchloridlösung, im Hobbykeller mit Natriumpersulfat oder Eisen(III)-chlorid:

• Durchkontaktieren: Die Bohrlochwände werden chemisch mit Kupfer bekeimt und dann galvanisch verstärkt – eine Anwendung der Elektrolyse.
• Oberflächen: Chemisch Nickel-Gold (ENIG) oder Zinn schützen die Pads vor Oxidation, bis gelötet wird.
• Löten: Kupfer bildet an Luft schnell eine Oxidschicht, an der Lot nicht haftet. Das Flussmittel löst diese Schicht beim Löten und verhindert neue Oxidation, solange das Lot fließt.

Korrosion: Chemie, die du nicht willst

Treffen zwei verschiedene Metalle in Gegenwart von Feuchtigkeit aufeinander, entsteht ein kleines galvanisches Element – das unedlere Metall löst sich auf. Das erklärt grüne Kontakte in alten Batteriefächern, gelöste Aluminium-Kupfer-Verbindungen und Lötstellen, die nach Jahren in feuchter Umgebung versagen. Flussmittelreste, die Halogenide enthalten, beschleunigen das zusätzlich. Wie edel ein Metall ist, zeigt die Spannungsreihe im Artikel Galvanische Elemente.

Selbsttest