Hybrid-Lötstellen - neue vielversprechende Lötstrategie

Der Einsatz von Metall-Nanopartikeln im Lötprozess ist derzeit ein Forschungsschwerpunkt für Anwendungen in der nächsten Generation von miniaturisierten elektronischen Geräten. Die durch die Zugabe von metallischen Einschlüssen in nanometergröße erzielten Eigenschaften, wie z.B. die verbesserte zeit- und temperaturabhängige mechanische Stabilität, können die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen an Lötstellen in elektronischen Bauteilen erfüllen. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf bleifreien Verbund-Lotpasten, die aus Lotpulver, Flussmittel und einer kleinen Menge metalllischer Nanopartikel bestehen. Das Verhalten von Metall-Nanopartikeln in Lot sowie deren Einfluss auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der hergestellten Lötstellen sind relativ gut bekannt. Das wesentliche Problem, dass ein erheblicher Teil der nano- Einschlüsse beim Löten zusammen mit dem Flussmittel aus der Lötstelle ausgeschwemmt wird, ist jedoch nach wie vor ungelöst. Darüber hinaus erschweren die hohe chemische Aktivität von Metall-Nanopartikeln und die bestehenden strengen Richtlinien für ihre sichere Handhabung und Entsorgung eine potenzielle industrielle Anwendung von Nanopulvern oder Nano-Verbundloten auf Sn-Basis erheblich. Die vorliegende Forschung basiert auf zwei Strategien. Die erste besteht darin, die beim Löten meist verwendeten Metall-Nanopartikeln mit einer Oxid-Schicht zu umhüllen und damit eine unkontrollierte Oxidation der Partikeln an der Luft verhindern. Die zweite Strategie ist die Herstellung von Lötstellen mit Hilfe von Flussmitteln, welche mit Nanopartikeln versetzt sind, und einer bleifreien Sn-Ag-Cu-Lotfolie. Damit kann das Ausschwemmen der Nanopartikeln aus dem flüssigen Lot während des Löt-Prozesses verhindert werden. Weiteres, wird erwartet, dass ein solches Flussmittel zu einer gezielten Legierungsbildung an der Grenzfläche zwischen Lot und Substrat führt, wobei der erzielte Effekt stark von der Art der verwendeten Nanopartikel abhängt. Aus diesem Grund wird das Verhalten verschiedener metallischer Nanopartikeln mit Oxid-Hülle im Flussmittel untersucht. Schließlich soll die mechanische Zuverlässigkeit der hergestellten Hybrid-Lotverbindungen in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Stromdichte untersucht werden. Basierend auf den experimentellen Daten werden Material- und Lebensdauermodelle mit Hilfe der Finite- Elemente-Methode entwickelt. Dieses Projekt wird zu einem tieferen Verständnis des Verhaltens von Lötmaterialien mit metallischen Nanopartikeleinschlüssen während der Synthese und Verarbeitung führen. Es wird eine Verbindung zwischen den mikrostrukturellen Merkmalen der entwickelten neuartigen Hybrid-Lötstellen, dem Reflow-Prozess und der thermomechanischen Zuverlässigkeit des Endprodukts herstellen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden die wesentlichen Informationen liefern, die für den Einsatz von Nanopartikeln in der Lötindustrie erforderlich sind, um hochwertige Materialien für fortschrittliche elektronische Anwendungen herzustellen.

Zuverlässige Lötverbindungen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der mechanischen Stabilität und die Gewährleistung zuverlässiger elektrischer Verbindungen in modernen elektronischen Systemen. Ob in Smartphones, Computern, Autos, Flugzeugen oder erneuerbaren Energiesystemen - Millionen winziger Lötstellen sichern elektrische Leitfähigkeit und mechanische Stabilität. Mit dem, umweltbedingten weltweiten Ausstieg aus bleihaltigen Loten haben sich bleifreie Alternativen wie Sn-Ag (SA) und Sn-Ag-Cu (SAC) etabliert. Diese Legierungen stehen jedoch vor einer Herausforderung: Ihre höheren Schmelztemperaturen beschleunigen das Wachstum spröder intermetallischer Phasen (IMCs), die welche die Lebensdauer elektronischer Baugruppen verkürzen können. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit bleifreier Lote ist daher entscheidend - sowohl für die Konsumelektronik als auch für sicherheitskritische Anwendungen. Dieses Projekt entwickelte einen skalierbaren Ansatz zur Verstärkung von Lötverbindungen durch nanopartikel-dotierte Flussmittel. Anders als bei herkömmlichen Methoden, werden die Partikel nicht ins Lot, sondern in das Flussmittel eingebracht. Dadurch konzentrieren sie sich gezielt an der Grenzfläche zwischen Lot und Substrat, wo sie das Wachstum schädlicher IMCs wirksam hemmen. Nanopartikel können ohne Änderung der Grundlegierung eingesetzt werden.; Entscheidend sind die kontrollierte Dosierung, die Vermeidung von Agglomerationen und eine abgestimmte Flussmittelchemie. Das Verfahren ist kompatibel mit etablierten industriellen Reflow-Prozessen und bestehender Qualitätssicherung und ermöglicht kostengünstige Verbesserungen in Festigkeit und Elektromigrationsbeständigkeit. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf Eisen- (Fe) und Kobalt-Nanopartikel (Co). Optimierte Konzentrationen verfeinerten die Grenzflächenstruktur, reduzierten die Dicke der IMC-Schichten und erhöhten die mechanische Festigkeit. Ultraschallmischungen erwies sich hierbei als besonders effektiv. Mikroskopische Analysen zeigten, dass Fe-Nanopartikel FeSn-Phasen bilden und das Wachstum spröder CuSn/CuSn-Schichten verlangsamen, während Co-Nanopartikel (Cu,Co)Sn und nanoskalige Präzipitate erzeugen, die die IMC-Bildung hemmen. Mechanische Tests bestätigten höhere Scherfestigkeit, insbesondere bei Fe-dotierten Verbindungen. Elektromigrationstests belegten zudem, dass Fe-Nanopartikel die Kupferdiffusion stark hemmen und die Stabilität der Lötstelle unter Langzeitstrombelastung sichern. Nanopartikel-dotierte Flussmittel eröffnen einen praktikablen Weg zu stärkeren, zuverlässigeren bleifreien Lötverbindungen. Sie reduzieren Ausfälle, verlängern die Lebensdauer elektronischer Systeme und unterstützen die sichere Weiterentwicklung moderner Technologien.