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

In de onzichtbare wereld van moderne elektronica houden minuscule verbindingen alles bij elkaar. Binnenin een smartphone of een computer moeten delicate metalen leads van een microchip stevig worden bevestigd aan een printplaat om elektriciteit en gegevens te geleiden. Deze verbindingen worden gemaakt met speciale pasta's die uitharden tot verbindingen. De gebruikte materialen in deze apparaten zetten echter uit en krimpen in op verschillende snelheden wanneer de temperatuur verandert. Wanneer een apparaat wisselt tussen vrieskou en verzengende hitte, creëren deze ongegelijke bewegingen spanning, vergelijkbaar met een brug die uitzet in de zomerzon en krimpt in de winter. Na verloop van tijd kunnen deze herhaalde rek- en krimpbewegingen ervoor zorgen dat de kleine verbindingen barsten, loslaten of hun vermogen om elektriciteit te geleiden verliezen, wat leidt tot het falen van het apparaat. Ingenieurs zoeken al lang naar een manier om deze verbindingen sterk genoeg te maken om dergelijke zware omstandigheden te overleven zonder te breken.

Onderzoekers aan de Chung-Ang Universiteit en de Kangwon National University in Zuid-Korea hebben een nieuwe manier verkend om deze verbindingen te versterken door twee verschillende soorten metaaldeeltjes in de bindpasta te mengen. Ze richtten zich op een materiaal dat een soldeerbare anisotrope polymeercomposiet wordt genoemd, dat zowel als lijm als elektrische brug fungeert. Om de duurzaamheid te testen, maakten ze twee versies van dit materiaal: één gemaakt met alleen metaaldeeltjes met een laag smeltpunt, en een andere die een tweede type metaal met een veel hoger smeltpunt toevoegde. Vervolgens onderwierpen ze beide versies aan een strenge test, waarbij ze duizend keer wisselden tussen temperaturen van minus 55 graden Celsius en 125 graden Celsius. Deze extreme thermische schok bootst de meest barre omgevingen na die een elektronisch apparaat kan ervaren. De studie toonde aan dat de mengeling met beide soorten metaaldeeltjes aanzienlijk beter bij elkaar bleef dan de versie met alleen het metaaldeeltje met een laag smeltpunt, wat een veelbelovend pad biedt naar meer betrouwbare elektronica.

De kern van het experiment bestond uit het maken van kleine testverbindingen met behulp van een kleine chipverpakking en een printplaat. De onderzoekers brachten hun speciaal ontwikkelde pasta's aan en verhitten deze om de metaaldeeltjes te laten smelten, zodat ze konden stromen en binden met de metalen leads. In de eerste versie bevatte de pasta alleen tin- en bismuthdeeltjes, die relatief gemakkelijk smelten. In de tweede versie voegden ze een gelijke hoeveelheid tin-, zilver- en koperdeeltjes toe, die veel meer hitte vereisen om te smelten. Terwijl de pasta afkoelde en uithardde, vormden de metaaldeeltjes vaste paden voor elektriciteit om tussen de chip en de plaat te reizen, terwijl het omringende polymeer als een beschermende schil fungeerde. De onderzoekers plaatsten deze assemblages vervolgens in een kamer die snel wisselde tussen extreme kou en hitte, waardoor jaren van slijtage in enkele dagen werd gesimuleerd.

Gedurende de duizend cycli van thermische schok behielden beide soorten verbindingen een stabiele elektrische verbinding, zonder tekenen van de weerstandsspieken die gewoonlijk wijzen op een falende verbinding. Deze stabiliteit bewees dat de metaalpaden intact bleven, zelfs terwijl de materialen heftig uitzetten en krimpen. Echter, toen de onderzoekers testten hoeveel kracht er nodig was om de chip fysiek van de plaat weg te trekken, ontstond er een duidelijk verschil. Voordat de test begon, waren de verbindingen gemaakt met de gemengde metaaldeeltjes ongeveer drieëndertig procent sterker dan die gemaakt met het enkelvoudige metaaltype. Na de brute thermische cycli presteerden de verbindingen met gemengd metaal nog steeds beter dan de anderen, waarbij ze een trekkracht behielden die bijna zevenenveertig procent hoger was. De toevoeging van de metaaldeeltjes met een hoog smeltpunt had een stevigere, veerkrachtiger verbinding gecreëerd die de vermoeidheid door temperatuurveranderingen weerstond.

Om te begrijpen waarom de verbindingen met gemengd metaal zoveel sterker waren, bekeken de onderzoekers de microscopische structuur van de verbindingen nauwkeurig. In de verbindingen gemaakt met alleen het metaal met een laag smeltpunt bestond de interne structuur uit afwisselende lagen van verschillende metalen, die de neiging hadden om groter en grover te worden naarmate de temperatuur cyclisch veranderde. Deze vergroving, gecombineerd met de snelle groei van een brosse laag waar het metaal de koperen elektrode ontmoette, maakte de verbinding in de loop van de tijd zwakker. In contrast hiermee ontwikkelden de verbindingen met de gemengde metalen een ander intern landschap. De aanwezigheid van het tweede metaaltype zorgde ervoor dat er kleine, harde deeltjes ontstonden en zich gelijkmatig door de verbinding verspreidden. Deze deeltjes fungeerden als versterkingen, die voorkwamen dat de metaallagen te groot werden en voorkwamen dat de brosse interface-laag afplatte en een zwak punt werd.

De studie onthulde ook dat de verbindingen met gemengd metaal resistent waren tegen de ophoping van een specifieke brosse substantie bij de interface tussen het soldeermiddel en de elektrode. In de verbindingen met één metaal bouwde deze substantie zich aanzienlijk op naarmate de test vorderde, wat een zwak punt creëerde waar scheuren gemakkelijk konden ontstaan. De formulering met gemengd metaal voorkwam deze opbouw, waardoor de verbinding tussen de onderdelen schoner en sterker bleef. Wanneer de onderzoekers de verbindingen na de test uit elkaar trokken, braken de verbindingen met één metaal op een brosse wijze langs deze zwakke interfaces, terwijl de verbindingen met gemengd metaal een taaiere, complexere breukvorm vertoonden die aangaf dat de verbinding standhield. De resultaten suggerien dat ingenieurs, door zorgvuldig metalen vulstoffen te selecteren en te mengen, elektronische verbindingen kunnen creëren die niet alleen goed elektriciteit geleiden, maar ook de extreme fysieke spanningen van de echte wereld kunnen overleven, wat potentieel de levensduur van alles van consumentengadgets tot kritieke infrastructuur kan verlengen.