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

Moderne vliegtuigen zijn niet langer alleen maar metalen en stoffen buizen die motoren vervoeren; ze worden steeds meer vliegende computers. Ingenieurs integreren steeds vaker krachtige elektronische chips direct in de structurele huid van vliegtuigen, een concept dat bekend staat als structureel-functionele integratie. Deze aanpak verwijdert zware, volumineuze dozen die normaal gesproken elektronica huisvesten, wat gewicht en ruimte bespaart. Het aanhechten van deze gevoelige chips aan de lichte, hittebestendige composietmaterialen die in vliegtuigrompen worden gebruikt, vormt echter een moeilijke puzzel. De lijm of het soldeermiddel dat wordt gebruikt om de chip aan de vleugel of de romp te bevestigen, moet extreme hitte overleven, enorme elektrische stromen kunnen geleiden en sterk genoeg blijven om het vliegtuig bij elkaar te houden, zonder het delicate composietmateriaal waaraan het is bevestigd, te beschadigen.

Decennialang bestond de standaardmethode om deze chips te bevestigen uit metalen oppervlakken of speciale keramische tegels, maar de nieuwe generatie vliegtuigen maakt gebruik van geavanceerde polymeercomposieten die niet gemakkelijk met metaal kunnen worden gecoat. Onderzoekers zoeken al lang naar een manier om chips direct aan deze niet-metalen oppervlakken te verbinden met een materiaal dat de hoge temperaturen van moderne elektronica kan weerstaan. Zilver, in de vorm van microscopische deeltjes, biedt een veelbelovende oplossing omdat het elektriciteit en warmte uitzonderlijk goed geleidt en kan worden gefuseerd bij lagere temperaturen dan traditioneel solderen. Toch bleef het onduidelijk of dit zilver een sterke, blijvende verbinding kon vormen direct op het ruwe, niet-metalen oppervlak van een cyanate ester-composiet — een materiaal dat in de luchtvaart wordt geprezen om zijn stabiliteit en lichte gewicht — zonder de hulp van een metaallaag.

Een team van onderzoekers aan de Beihang University en gerelateerde instituten in China zette zich af om dit specifieke probleem op te lossen. Ze namen kleine blokken koper, die met een dunne laag zilver waren bedekt om een echte powertchip na te bootsen, en hechtten deze direct op vierkanten van kwartsvezelversterkte cyanate ester-composiet. In plaats van een chemische lijm te gebruiken, brachten ze een pasta aan die gemaakt was van minuscule zilverdeeltjes en verhitten deze onder druk. Het doel was om te zien of de zilverdeeltjes net genoeg konden smelten om een solide brug te vormen, terwijl ze zichzelf ook in de kleine bulten en dalen van het composietoppervlak konden vergrendelen, waardoor een mechanische grip ontstond die vergelijkbaar is met klittenband, maar dan op microscopische schaal.

Het proces vereiste nauwkeurige controle van hitte en druk. De onderzoekers verhitten de zilverpasta tot 200 graden Celsius, een temperatuur die hoog genoeg is om de zilverdeeltjes te fuseren, maar laag genoeg om het composietmateriaal niet te verbranden. Ze pasten variërende hoeveelheden druk toe, variërend van 5 tot 20 megapascal, om de deeltjes bij elkaar te persen. Terwijl de hitte steeg, verdampden de organische oplosmiddelen in de pasta, waardoor de zilverdeeltjes elkaar konden raken en fuseren op hun contactpunten. Onder druk herschikten deze deeltjes zichzelf, vulden de gaten op en vormden een dichte, continue metaallaag. Het team stelde vast dat het zilver niet alleen bovenop het composiet lag, maar in de microscopische ruwheid van het oppervlak stroomde, waardoor een fysieke verstrengeling ontstond die de twee materialen bij elkaar hield.

De resultaten van deze directe hechting waren verrassend robuust. Wanneer de onderzoekers testten hoeveel kracht er nodig was om de chip van het composiet af te schuiven, hielden de sterkste verbindingen een afschuifsterkte van maximaal 11,5 megapascal. Deze piekprestatie werd bereikt wanneer het zilver werd gesinterd bij een druk van 15 megapascal gedurende 15 minuten. Opvallend genoeg zorgde het toepassen van te veel druk, zoals 20 megapascal, er juist voor dat de verbinding iets verzwakte, waarschijnlijk omdat de overmatige kracht het composiet substraat zelf begon te beschadigen. De gevormde zilverlaag was ook zeer efficiënt, waarbij de elektrische weerstand aanzienlijk daalde naarmate de druk toenam, wat erop wijst dat de deeltjes compact genoeg tegen elkaar aan lagen om uitstekende paden voor elektriciteit te creëren.

Om te garanderen dat deze technologie de barre omgeving van een echt vliegtuig zou kunnen overleven, onderwierp het team de verbonden voegen aan hitteveroudering. Ze plaatsten de monsters in een oven bij 220 graden Celsius voor wel 1.000 uur om jaren van gebruik te simuleren. Na 600 uur waren de verbindingen nog steeds opmerkelijk sterk en behielden ze ongeveer 81 procent van hun oorspronkelijke sterkte. De zilverlaag zelf hield goed stand, maar de onderzoekers observeerden dat het composietmateriaal eronder tekenen van stress begon te vertonen, met minuscule scheurtjes in de hars die de vezels samenbindt. Na 1.000 uur vertoonde het composiet aanzienlijke degradatie, inclusie de scheiding van vezels van de harsmatrix, wat uiteindelijk de verbinding ondermijnde.

De studie concludeert dat het volkomen mogelijk is om powertchips direct aan niet-metalen composietoppervlakken te verbinden met behulp van nano-zilversintering, wat een sterke, elektrisch geleidende en thermisch stabiele verbinding creëert. Het primaire mechanisme van deze binding is niet een chemische reactie tussen het zilver en het plastic, maar eerder een mechanische verstrengeling waarbij het zilver de oppervlaktetextuur van het composiet opvult. Hoewel de zilververbinding zelf duurzaam is, wordt de langetermijnbetrouwbaarheid van het gehele systeem beperkt door de thermische stabiliteit van het composietmateriaal zelf. Zodra het composiet degradeert onder extreme hitte, verzwakt de verbinding, ongeacht hoe goed het zilver bij elkaar blijft. Deze bevinding biedt een duidelijk pad voorwaarts voor de integratie van elektronica in de volgende generatie lichtgewicht, hoogwaardige vliegtuigstructuren, mits de materialen die voor het vliegtuigframe worden gebruikt, de hitte kunnen weerstaan die de meegedraagde elektronica genereert.