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TU Berlin

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Entwicklung einer Fügetechnologie für die Mikro- und Elektrotechnik unter Ausnutzung der Schmelztemperaturabsenkung bei kleinsten Partikeln

IGF-Nr. 16.279 N       

In der Mikrotechnologie und -elektronik sind Fügeverbindungen zwingend erforderlich, die auch bei er­höhter Temperatur eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen sowie dauerhaft zyklischer Thermowechselbeanspruchung standhalten. Aus der stetigen Tendenz zu weiterer Miniaturisierung der Bauteile resultiert allerdings auch eine immer stärkere thermische und elektrische Beanspruchung der Fügestellen. Werden konventionelle Weichlote verwendet, kann es durch lokale Überhitzung im Extremfall zum Wiederaufschmelzen des Lotes und damit zum Versagen der gesamten Baugruppe kommen. Da diese in der Regel nur begrenzt thermisch belastbar sind, können keine höherschmelzenden Lote einge­setzt werden. Die aktuell verwen­deten Legierungen erreichen hier in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit ihre Grenzen. Auch aufgrund der seit Juli 2006 geltenden Richtlinien zum Ersatz der konventionellen bleihalti­gen Lote ergibt sich die Notwendigkeit zur Erarbeitung neuer Lotwerkstoffe und alternativer Fügetechnolo­gien.

Der Einsatz von Nanopartikeln bietet hierzu einen vielversprechenden Ansatz. Es ist seit langem bekannt, dass kleine Partikel im unteren Nanometerbereich bei wesentlich niedrigeren Temperaturen schmelzen als ihr Bulkmaterial (Schmelztemperaturabsenkung). Dies am Beispiel des sehr gut elektrisch- und thermisch leitfähigen Silbers als Lotwerkstoff und mit Kupfer als Grundwerkstoff für die Fügetechnik zum Fügen bei niedrigen Temperaturen nutzbar zu machen, war das Ziel dieses Projektes.

Wie die dazu benötigten Silber-Nanopartikel auf geeignete Weise hergestellt und eingesetzt werden kön­nen, war ein Teilziel. Es wurden sowohl Silber-Nanopartikel hergestellt und untersucht als auch soge­nannte Silber-Precursoren. Letztere sind organische Silberkomplexe, welche erst beim Erhitzen Silber-Nanopartikel bilden. Diese Eigenschaft wurde für unterschiedliche Silber-Precursoren untersucht und hin­sichtlich einer Nutzbarmachung für den Fügeprozess bewertet. Sie erwies sich schließlich als die geeig­netere Alternative. Mit geeigneten Silber-Precursoren wurden die wesentlichen Fügeparameter, wie Fü­getemperatur, -zeit, Haltezeiten, Rauheit des Grundmaterials und das Verhalten bei Flächenpressung ermittelt. Die Charakterisierung der erhaltenen Fügeverbindungen erfolgte vor allem durch Licht- und Ras­terelektronenmikroskopie. Die Festigkeiten der Verbindungen wurden durch Scherfestigkeitsmessungen ermittelt. Darüber hinaus erfolgten Messungen des E-Modul durch Nanoindentation und Messungen der elektrischen Leitfähigkeit.

Aufgrund der durchgeführten Arbeiten konnten die entscheidenden Faktoren zum Fügen mit Nanopartikeln analysiert und daraus ein Fügeprozess zur Erlangung haftfester Verbindungen abgeleitet werden.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben 16.279 der Forschungsvereinigung Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (DVS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Ge­meinschaftsforschung und ‑entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für diese Förderung und Unterstützung sei herzlich gedankt. Wir danken ebenfalls den Mitgliedern des projektbegleitenden Aus­schusses für die Unterstützung und die intensiven Diskussionen.

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