Flussmittelfrei SAC305

Im Allgemeinen verbleiben bei der Verwendung von Lotpasten mit flüssigem Flussmittel nach dem Lötprozess Rückstände auf dem Substrat. Diese Rückstände können sehr korrosiv sein. Durch die Einkapselung von Säure und Salzen im Harz der "no-clean"-Lotpaste sind die Rückstände weniger aggressiv für die Leiterplatte und Komponenten, aber immer noch vorhanden und sichtbar. Bei einer flussmittelfreien Lotpaste entstehen keine Rückstände. Flussmittelfreies Löten, d.h. rückstandsfreies Löten mit Hilfe der Gasaktivierung, ist seit vielen Jahren bekannt, aber nur im Bereich der Opto- und Mikrowellenelektronik gut etabliert. In kostengünstigen Großserienanwendungen 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 Atmosphäre
Abb.: Ein Vergleich über die Wirkung der reduzierenden Atmosphäre
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 Funktionalität des gasförmigen Aktivators wurde flussmittelfreie Lotpaste auf eine Testplatine für keramisch verpackte LEDs gedruckt. Die Funktionsweise der reduktiven Atmosphäre, ist im Vergleich mit der reflow-gelöteten Testplatine, in der Abbildung links zu sehen. 

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

 

Abb.: Ein Vergleich der Scherfestigkeiten von unter reduzierender Atmosphäre gelöteten und flussmittelfrei gelöteten Flussmitteln
Abb.: Ein Vergleich der Scherfestigkeiten von unter reduzierender Atmosphäre gelöteten und flussmittelfrei gelöteten Flussmitteln

Die mechanische Integrität der Lötverbindungen wurde durch Scherfestigkeitstests geprüft. Dabei zeigen die flussmittelfreien Lötverbindungen eine ähnliche Scherfestigkeit im Vergleich zum flussmittelhaltigen Lot.

Das für das Löten des flussmittelfreien SAC305 vorgeschlagene Konzept und Verfahren, kann die Produktionskosten von elektronischen Systemen senken und die Qualität gelöteter 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 großer Bandlücke (WBG) haben an Dynamik gewonnen, um die Defizite zu beheben.

Allerdings werden WBG-Bausteine immer noch mit konventionellen, etablierten Gehäusetechnologien verpackt, was ihre Gesamtleistung einschränkt. Konventionelle bleifreie Lote, wie z.B. Sn-basierte Lote, haben einen relativ niedrigen Schmelzpunkt von 220-230°C, wodurch der zuverlässige 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 Wärmeleitfähigkeit und Zn-basierte Lote leiden unter Sprödigkeit 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 Leitfähigkeiten und Zuverlässigkeit 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 Massenproduktionslösung begrenzt.

Kupfer bietet eine kostengünstige Alternative zu Silber. Es hat einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Silber und nahezu die gleichen elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten. Darüber hinaus ist es ~100 Mal billiger als Silber und in größeren Mengen vorhanden.

Eine große Herausforderung bei Kupfer ist jedoch seine hohe chemische Reaktivität, insbesondere seine Affinität, 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 höheren Temperaturen erwartet.

Abb.: Vergleich der Scherfestigkeitswerte von kommerziell erhältlichen Silbersinterpasten mit selbst entwickelten Kupfersinterpasten
Abb.: Vergleich der Scherfestigkeitswerte von kommerziell erhältlichen Silbersinterpasten mit selbst entwickelten Kupfersinterpasten

Innerhalb unserer Forschungsgruppe arbeiten wir an neuartigen Lösungen 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 erhältlichen 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.