Flussmittelfrei SAC305

Im Allgemeinen verbleiben bei der Verwendung von Lotpasten mit flüssigem Flussmittel nach dem L?tprozess Rückst?nde auf dem Substrat. Diese Rückst?nde k?nnen sehr korrosiv sein. Durch die Einkapselung von S?ure und Salzen im Harz der "no-clean"-Lotpaste sind die Rückst?nde weniger aggressiv für die Leiterplatte und Komponenten, aber immer noch vorhanden und sichtbar. Bei einer flussmittelfreien Lotpaste entstehen keine Rückst?nde. Flussmittelfreies L?ten, d.h. rückstandsfreies L?ten mit Hilfe der Gasaktivierung, ist seit vielen Jahren bekannt, aber nur im Bereich der Opto- und Mikrowellenelektronik gut etabliert. In kostengünstigen Gro?serienanwendungen ist diese Technologie noch nicht zum Mainstream geworden.

Unsere Forschungsgruppe hat ein flussmittelfreies Lot entwickelt, auf das verschiedene Tests angewandt und verschiedene Eigenschaften des entwickelten Lotes untersucht wurden.

 

Abb.: Ein Vergleich über die Wirkung der reduzierenden Atmosph?re
Abb.: Ein Vergleich über die Wirkung der reduzierenden Atmosph?re
Abb.: Hohlraumbildung im Lot mit Flussmittelpaste und im flussmittelfreien Lot
Abb.: Hohlraumbildung im Lot mit Flussmittelpaste und im flussmittelfreien Lot

Für Benetzungs- und Schmelzversuche und zur Demonstration der Funktionalit?t des gasf?rmigen Aktivators wurde flussmittelfreie Lotpaste auf eine Testplatine für keramisch verpackte LEDs gedruckt. Die Funktionsweise der reduktiven Atmosph?re, ist im Vergleich mit der reflow-gel?teten Testplatine, in der Abbildung links zu sehen. 

Die Untersuchung der Void Bildung beim L?ten des entwickelten flussmittelfreien SAC305 zeigt, dass das Niveau der Void Bildung akzeptabel ist.

 

Abb.: Ein Vergleich der Scherfestigkeiten von unter reduzierender Atmosph?re gel?teten und flussmittelfrei gel?teten Flussmitteln
Abb.: Ein Vergleich der Scherfestigkeiten von unter reduzierender Atmosph?re gel?teten und flussmittelfrei gel?teten Flussmitteln

Die mechanische Integrit?t der L?tverbindungen wurde durch Scherfestigkeitstests geprüft. Dabei zeigen die flussmittelfreien L?tverbindungen eine ?hnliche Scherfestigkeit im Vergleich zum flussmittelhaltigen Lot.

Das für das L?ten des flussmittelfreien SAC305 vorgeschlagene Konzept und Verfahren, kann die Produktionskosten von elektronischen Systemen senken und die Qualit?t gel?teter elektronischer Module verbessern.

Kupfer sintern

Der zunehmende Trend zur Elektrifizierung von Automobilen hat die Miniaturisierung der leistungselektronischen Systeme beschleunigt. Konventionelle Leistungswandler auf Si-Basis werden den hohen Anforderungen nicht mehr gerecht, und Bauelemente mit gro?er Bandlücke (WBG) haben an Dynamik gewonnen, um die Defizite zu beheben.

Allerdings werden WBG-Bausteine immer noch mit konventionellen, etablierten Geh?usetechnologien verpackt, was ihre Gesamtleistung einschr?nkt. Konventionelle bleifreie Lote, wie z.B. Sn-basierte Lote, haben einen relativ niedrigen Schmelzpunkt von 220-230°C, wodurch der zuverl?ssige Temperatureinsatz auf unter 150°C begrenzt wird.  Es wurden Hochtemperaturlote vorgeschlagen, die jedoch ihre Grenzen haben: AuSn ist zu teuer, Bi-basierte Lote haben eine geringe W?rmeleitf?higkeit und Zn-basierte Lote leiden unter Spr?digkeit und geringer Benetzbarkeit.

Daher sind neue Verpackungstechnologien das Gebot der Stunde.

Das Silbersintern hat im letzten Jahrzehnt an Bedeutung gewonnen, da eine Reihe von Akteuren auf den Markt gekommen sind und kommerzielle Silbersinterpasten, die Niedertemperatursintern (250°C), hohe thermische und elektrische Leitf?higkeiten und Zuverl?ssigkeit bei hohen Temperaturen bieten, auf den Markt gekommen sind. Die hohen Kosten von Silber wirken jedoch abschreckend, und die Herausforderungen beim drucklosen Silbersintern haben das Vordringen des Silbersinterns in eine Massenproduktionsl?sung begrenzt.

Kupfer bietet eine kostengünstige Alternative zu Silber. Es hat einen niedrigeren W?rmeausdehnungskoeffizienten als Silber und nahezu die gleichen elektrischen und thermischen Leitf?higkeiten. Darüber hinaus ist es ~100 Mal billiger als Silber und in gr??eren Mengen vorhanden.

Eine gro?e Herausforderung bei Kupfer ist jedoch seine hohe chemische Reaktivit?t, insbesondere seine Affinit?t, unter Luft leicht zu oxidieren. Aufgrund der Tatsache, dass die Schmelzpunkte und die Sintertemperaturen korrelieren, wird das Sintern von Kupfer im Vergleich zu Silber bei h?heren Temperaturen erwartet.

Abb.: Vergleich der Scherfestigkeitswerte von kommerziell erh?ltlichen Silbersinterpasten mit selbst entwickelten Kupfersinterpasten
Abb.: Vergleich der Scherfestigkeitswerte von kommerziell erh?ltlichen Silbersinterpasten mit selbst entwickelten Kupfersinterpasten

Innerhalb unserer Forschungsgruppe arbeiten wir an neuartigen L?sungen zur Entwicklung von Kupfersinterpasten unter Anwendung eines mehrdimensionalen Ansatzes.
Erste Ergebnisse ergeben Scherfestigkeiten von ~80MPa beim Sintern unter Druck und ~25MPa beim drucklosen Sintern, die mit kommerziell erh?ltlichen Silbersinterpasten vergleichbar sind.

Offene Stellen

Bei Interesse an offenen Stellen für Studentische Arbeiten innerhalb der Forschungsgruppe, senden Sie bitte eine Mail mit Lebenslauf an assistenz-iimo-elger@thi.de.