Low-temperature sintering and thermal-aging reliability of nano-silver joints on cyanate ester composite substrates

Moderne Flugzeuge sind nicht mehr nur Röhren aus Metall und Stoff, die Triebwerke transportieren; sie werden zu fliegenden Computern. Ingenieure betten zunehmend leistungsstarke elektronische Chips direkt in die Strukturhüllen von Flugzeugen ein, ein Konzept, das als strukturell-funktionale Integration bekannt ist. Dieser Ansatz entfernt schwere, sperrige Boxen, die normalerweise Elektronik beherbergen, was Gewicht und Platz spart. Das Anbringen dieser empfindlichen Chips an den leichten, hitzebeständigen Verbundwerkstoffen, die für Flugzeugzellen verwendet werden, stellt jedoch ein schwieriges Rätsel dar. Der Klebstoff oder das Lot, der verwendet wird, um den Chip an der Tragfläche oder dem Rumpf zu befestigen, muss extremer Hitze standhalten, massive elektrische Ströme leiten und stark genug bleiben, um das Flugzeug zusammenzuhalten, ohne das empfindliche Verbundmaterial, an dem er befestigt ist, zu beschädigen.

Jahrzehntelang bestand die Standardmethode, diese Chips zu befestigen, aus Metalloberflächen oder speziellen Keramikfliesen, aber die neue Generation von Flugzeugen verwendet fortschrittliche Polymerverbundwerkstoffe, die sich nicht leicht mit Metall beschichten lassen. Forscher suchen seit langem nach einem Weg, Chips direkt auf diese nicht-metallischen Oberflächen mit einem Material zu verbinden, das den hohen Temperaturen moderner Elektronik standhalten kann. Silber, in Form von mikroskopischen Partikeln, bietet eine vielversprechende Lösung, da es Elektrizität und Wärme außergewöhnlich gut leitet und bei niedrigeren Temperaturen als herkömmliches Löten verschmolzen werden kann. Dennoch blieb unklar, ob dieses Silber in der Lage ist, eine starke, dauerhafte Verbindung direkt auf der rauen, nicht-metallischen Oberfläche eines Cyanatester-Verbundwerkstoffs – einem Material, das in der Luftfahrt wegen seiner Stabilität und seines geringen Gewichts geschätzt wird – ohne die Hilfe einer Metallschicht einzugehen.

Ein Team von Forschern der Beihang-Universität und verwandter Institute in China setzte sich zum Ziel, genau dieses Problem zu lösen. Sie nahmen kleine Kupferblöcke, die mit einer dünnen Silberschicht überzogen waren, um einen echten Leistungschip nachzuahmen, und klebten sie direkt auf Quadrate aus quarzfaserverstärktem Cyanatester-Verbundwerkstoff. Anstatt einen chemischen Kleber zu verwenden, trugen sie eine Paste aus winzigen Silberpartikeln auf und erhitzten sie unter Druck. Das Ziel war es zu sehen, ob die Silberpartikel gerade so weit miteinander verschmelzen konnten, um eine feste Brücke zu bilden, während sie sich gleichzeitig in den winzigen Erhebungen und Tälern der Verbundoberfläche verankerten und so einen mechanischen Griff erzeugten, der einem Mikroskala-Klettverschluss ähnelt.

Der Prozess erforderte eine sorgfältige Kontrolle von Hitze und Druck. Die Forscher erhitzten die Silberpaste auf 200 Grad Celsius, eine Temperatur, die hoch genug ist, um die Silberpartikel zu verschmelzen, aber niedrig genug, um das Verbundmaterial nicht zu verbrennen. Sie wandten unterschiedliche Mengen an Druck an, die von 5 bis 20 Megapascal reichten, um die Partikel zusammenzupressen. Während die Temperatur stieg, verdampften die organischen Lösungsmittel in der Paste, wodurch die Silberpartikel einander berühren und verschmelzen konnten. Unter Druck ordneten sich diese Partikel neu an, füllten Lücken aus und bildeten eine dichte, kontinuierliche Metallschicht. Das Team stellte fest, dass das Silber nicht einfach nur auf dem Verbundwerkstoff lag, sondern in die mikroskopische Rauheit der Oberfläche floss und so eine physische Verriegelung erzeugte, die die beiden Materialien zusammenhielt.

Die Ergebnisse dieser direkten Bindung waren überraschend robust. Als die Forscher testeten, wie viel Kraft nötig war, um den Chip vom Verbundwerkstoff abzuschieben, hielten die stärksten Verbindungen einer Scherfestigkeit von bis zu 11,5 Megapascal stand. Diese Spitzenleistung wurde erreicht, als das Silber bei einem Druck von 15 Megapascal für 15 Minuten gesintert wurde. Interessanterweise schwächte ein zu hoher Druck, wie etwa 20 Megapascal, die Verbindung leicht ab, wahrscheinlich weil die übermäßige Kraft begann, das Verbundsubstrat selbst zu beschädigen. Die gebildete Silberschicht war zudem hocheffizient, wobei ihr elektrischer Widerstand mit zunehmendem Druck signifikant sank, was darauf hindeutete, dass sich die Partikel eng zusammengestaucht hatten, um exzellente Pfade für Elektrizität zu schaffen.

Um sicherzustellen, dass diese Technologie der rauen Umgebung eines echten Flugzeugs standhält, unterzog das Team die geklebten Verbindungen einer Hochtemperaturalterung. Sie platzierten die Proben in einem Ofen bei 220 Grad Celsius für bis zu 1.000 Stunden, um jahrelangen Betrieb zu simulieren. Nach 600 Stunden waren die Verbindungen immer noch bemerkenswert stark und behielten etwa 81 Prozent ihrer ursprünglichen Festigkeit. Die Silberschicht selbst hielt gut durch, aber die Forscher beobachteten, dass das darunter liegende Verbundmaterial erste Anzeichen von Stress zeigte, wobei winzige Risse im Harz, das die Fasern bindet, auftraten. Nach 1.000 Stunden wies der Verbundwerkstoff eine signifikante Degradation auf, einschließlich der Trennung von Fasern aus der Harzmatrix, was letztlich die Verbindung beeinträchtigte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es durchaus möglich ist, Leistungschips mittels Nano-Silber-Sinterung direkt an nicht-metallische Verbundoberflächen zu binden, wodurch eine starke, elektrisch leitfähige und thermisch stabile Verbindung entsteht. Der primäre Mechanismus dieser Bindung ist keine chemische Reaktion zwischen dem Silber und dem Kunststoff, sondern vielmehr eine mechanische Verzahnung, bei der das Silber die Oberflächenstruktur des Verbundwerkstoffs ausfüllt. Während die Silberverbindung selbst dauerhaft ist, wird die langfristige Zuverlässigkeit des Gesamtsystems durch die thermische Stabilität des Verbundwerkstoffs selbst begrenzt. Sobald der Verbundwerkstoff unter extremer Hitze zu degradieren beginnt, schwächt sich die Verbindung ab, ungeachtet dessen, wie gut das Silber zusammenhält. Dieser Befund bietet einen klaren Weg für die Integration von Elektronik in die nächste Generation leichter, hochleistungsfähiger Flugzeugstrukturen, vorausgesetzt, dass die Materialien, die für die Flugzeugzellen verwendet werden, der Hitze, die von der mit ihnen getragenen Elektronik ausgeht, standhalten können.