Influence of the high-melting-point solder addition on the thermo-mechanical reliability of solderable anisotropic polymer composites containing low- melting-point solder

In der unsichtbaren Welt der modernen Elektronik halten winzige Verbindungen alles zusammen. Im Inneren eines Smartphones oder Computers müssen empfindliche Metallleitungen von einem Mikrochip fest mit einer Leiterplatte verbunden sein, um Elektrizität und Daten zu übertragen. Diese Verbindungen werden unter Verwendung spezieller Pasten hergestellt, die zu Lötstellen aushärten. Diese Materialien dehnen sich jedoch bei Temperaturänderungen unterschiedlich stark aus und ziehen sich unterschiedlich stark zusammen. Wenn ein Gerät zwischen eisiger Kälte und sengender Hitze wechselt, erzeugen diese ungleichen Bewegungen Spannungen, ganz ähnlich wie eine Brücke, die sich in der Sommersonne ausdehnt und im Winter zusammenzieht. Mit der Zeit können diese wiederholten Dehnungen und Stauchungen dazu führen, dass die winzigen Verbindungen reißen, sich ablösen oder ihre Fähigkeit verlieren, Elektrizität zu leiten, was zum Ausfall des Geräts führt. Ingenieure suchen schon lange nach einem Weg, diese Verbindungen stark genug zu machen, damit sie solche harten Bedingungen überstehen, ohne zu brechen.

Forscher der Chung-Ang University und der Kangwon National University in Südkorea haben einen neuen Weg erforscht, um diese Verbindungen zu stärken, indem sie zwei verschiedene Arten von Metallpartikeln in die Lötpaste mischen. Sie konzentrierten sich auf ein Material namens anisotropes polymeres Komposit, das sowohl als Klebstoff als auch als elektrische Brücke fungiert. Um dessen Haltbarkeit zu testen, entwickelten sie zwei Versionen dieses Materials: eine, die nur aus Metallpartikeln mit niedrigem Schmelzpunkt besteht, und eine weitere, der ein zweiter Typ von Metall mit einem wesentlich höheren Schmelzpunkt hinzugefügt wurde. Anschließend unterzogen sie beide Versionen einem strengen Test, bei dem sie eintausend Mal zwischen Temperaturen von minus 55 Grad Celsius und 125 Grad Celsius wechselten. Dieser extreme thermische Schock simuliert die härtesten Umgebungen, denen ein elektronisches Gerät ausgesetzt sein könnte. Die Studie ergab, dass die Mischung, die beide Arten von Metallpartikeln enthielt, die Version mit nur dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt signifikant besser zusammenhielt, was einen vielversprechenden Weg zu zuverlässigerer Elektronik eröffnet.

Der Kern des Experiments bestand darin, winzige Testverbindungen unter Verwendung eines kleinen Chipgehäuses und einer Leiterplatte zu erstellen. Die Forscher trugen ihre maßgeschneiderten Pasten auf und erhitzten sie, um die Metallpartikel zu schmelzen, damit diese fließen und mit den Metallleitungen verbinden konnten. In der ersten Version enthielt die Paste nur Zinn- und Wismutpartikel, die bei einer relativ niedrigen Temperatur schmelzen. In der zweiten Version fügten sie eine gleiche Menge an Zinn-, Silber- und Kupferpartikeln hinzu, die viel höhere Hitze benötigen, um zu schmelzen. Während die Paste abkühlte und hart wurde, bildeten die Metallpartikel feste Pfade, über die Elektrizität zwischen dem Chip und der Platine fließen konnte, während das umgebende Polymer als Schutzhülle diente. Die Forscher platzierten diese Baugruppen daraufhin in eine Kammer, die rapide zwischen extremer Kälte und Hitze schwankte und so jahrelange Abnutzung in nur wenigen Tagen simulierte.

Während der tausend Zyklen des thermischen Schocks behielten beide Arten von Verbindungen eine stabile elektrische Verbindung bei und zeigten keine Anzeichen von Widerstandspitzen, die normalerweise auf eine versagende Verbindung hindeuten. Diese Stabilität bewies, dass die Metallpfade intakt blieben, selbst als sich die Materialien heftig ausdehnten und zusammenzogen. Als die Forscher jedoch testeten, wie viel Kraft erforderlich war, um den Chip physisch von der Platine abzuziehen, zeigte sich ein klarer Unterschied. Vor Beginn der Tests waren die Verbindungen, die mit den gemischten Metallpartikeln hergestellt wurden, etwa dreiunddreißig Prozent stärker als die mit dem einheitlichen Metalltyp. Nach dem brutalen thermischen Zyklus übertrafen die Verbindungen mit gemischten Metallen die anderen immer noch und behielten eine Zugfestigkeit bei, die fast siebenundvierzig Prozent höher war. Das Hinzufügen der Metallpartikel mit hohem Schmelzpunkt hatte eine zähere, widerstandsfähigere Bindung geschaffen, die der Ermüdung durch Temperaturwechsel widerstand.

Um zu verstehen, warum die Verbindungen mit gemischten Metallen so viel stärker waren, untersuchten die Forscher die mikroskopische Struktur der Bindungen sehr genau. In den Verbindungen, die nur aus dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt bestanden, bestand die interne Struktur aus abwechselnden Schichten verschiedener Metalle, die mit den Temperaturzyklen dazu neigten, größer und grobkörniger zu werden. Diese Vergröberung, kombiniert mit dem schnellen Wachstum einer spröden Schicht, an der das Metall auf die Kupferelektrode traf, machte die Verbindung im Laufe der Zeit schwächer. Im Gegensatz dazu entwickelten die Verbindungen mit den gemischten Metallen eine andere interne Landschaft. Das Vorhandensein des zweiten Metalltyps bewirkte, dass sich winzige, harte Partikel bildeten und gleichmäßig in der Bindung verteilten. Diese Partikel wirkten wie Verstärkungen, die verhinderten, dass die Metallschichten zu groß wurden, und verhinderten, dass sich die spröde Grenzschicht abflachte und zu einem Schwachpunkt wurde.

Die Studie zeigte auch, dass die Verbindungen mit gemischten Metallen die Ansammlung einer spezifischen spröden Substanz an der Grenzfläche zwischen dem Lot und der Elektrode verhinderten. In den Verbindungen mit nur einem Metall baute sich diese Substanz im Verlauf des Tests erheblich auf, was eine Schwachstelle schuf, an der Risse leicht entstehen konnten. Die Formulierung mit gemischten Metallen verhinderte diesen Aufbau und hielt die Kontaktstelle sauberer und stärker. Als die Forscher die Verbindungen nach den Tests auseinanderzogen, brachen die mit nur einem Metall hergestellten Verbindungen spröde entlang dieser schwachen Grenzflächen, während die Verbindungen mit gemischten Metallen ein zäheres, komplexeres Bruchmuster zeigten, was darauf hindeutete, dass die Bindung fest hielt. Die Ergebnisse legen nahe, dass Ingenieure durch die sorgfältige Auswahl und Mischung von Metallfüllstoffen elektronische Verbindungen schaffen können, die nicht nur gut elektrischen Strom leiten, sondern auch den extremen physischen Belastungen der realen Welt standhalten, was potenziell die Lebensdauer von allem – von Konsumgütern bis hin zur kritischen Infrastruktur – verlängern kann.