Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Aufklärung von Alterungs- und Korrosionsmechanismen geklebter Fügeverbindungen in hybriden Mikrosystemen

Industrieseitig besteht die Forderung der nachhaltigen Steigerung der Effizienz beim Einsatz von geklebten Fügeverbindungen in der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (AVT). Entscheidend für die weitere industrielle Verbreitung des Klebens in der AVT ist die Qualitätssicherung, verbunden mit belastbaren Lebensdauervorhersagen geklebter Fügeverbindungen. Bauteile/Baugruppen werden derzeit u.a. mechanisch zerstörend geprüft, da geeignete zerstörungsfreie Verfahren nicht zur Verfügung stehen. Das angestrebte Ziel dieses Projektes ist es, die spezifischen Alterungs- und Korrosionsmechanismen geklebter Fügungen in hybriden Mikrosystemen für den besonderen Fall von elektrisch leitfähigen Klebstoffen auf edelmetallfreien Fügeflächen in der AVT zu charakterisieren und dabei den Einsatz von bisher nicht genutzten Untersuchungsverfahren zur Degradationsanalyse von Klebeverbindungen zur Verbesserung des Gesamtverständnisses Klebestelle-Lebensdauerprognose zu ermöglichen. Der Lösungsweg des Vorhabens besteht in einem innovativen, komplementären Ansatz in der Methodenkombination klassischer mechanischer Bauteilprüfung und elektrochemischer und spektroskopischer, zerstörungsfreier Methoden.

Angestrebte Ergebnisse sind einerseits das bessere Verständnis der Degradationsprozesse geklebter elektrischer Verbindungen in der AVT und eine zuverlässigere Vorhersage der verbleibenden Bauteillebensdauer. Andererseits sollen der Industrie Entscheidungshilfen (best practise guide) zum Bauteilaustausch zur Verfügung gestellt werden. Eine verbessertes Verständnis der Versagensmechanismen lassen nicht nur eine bessere Auslastung der Einsatzzeit der Bauteile zu, sondern kann gleichzeitig die Substitution von Edelmetall durch weniger teurere Materialien (Sn) vorantreiben. Der Nutzen für die Unternehmen und KMU besteht darin, durch verbessertes Wissen um Klebeverbindungen ihr Portfolio erweitern zu können und die Wettbewerbsfähigkeit sowie das Know-How zu sichern.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde die Möglichkeit der zerstörungsfreien Beschreibung der Degradation von Klebstoffen, die üblicherweise im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzte zu untersuchen. Es sollte nach alternative Methoden gesucht werden, die zerstörende mechanische Tests im Electronic Packaging ersetzen können. Dazu wurde sich zunächst auf die Untersuchung der Degradationsmechanismen die für epoxidbasierte Klebstoffe relevant sind, mittels der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie und der Fourier Transformed Infrard Spectroscopy, konzentriert. Es konnte gezeigt werden, dass die gewonnenen Informationen eine verbesserte Beschreibung der Degradationsmechanismen und der Kinetik der Schädigung zulassen, als das mit Information aus den etablierten mechanischen Schertests möglich ist. Dabei konnten sowohl die werkstoffintrinsischen Eigenheiten unterschiedlicher Klebstoffe und deren Auswirkung auf die Degradationsstabilität als auch die Applikationsqualität beurteilt werden. Die Untersuchungen fanden unter einfacher korrosiver Belastung als auch unter Beaufschlagung mit einem Belastungskollektive (Druck, Wärme, Feuchte) statt. Die unterschiedlichen Belastungen führten zu unterschiedlichen Schädigungsursachen und konnten mit den eingesetzten Methoden klar unterschieden und detailliert beschrieben werden. Der überragende Einfluss der Fertigungsqualität auf die Lebensdauererwartung von geklebten Bauteilen war deutlich nachweisbar und anhand der Kinetik der ablaufenden Schädigungsprozesse auch quantifizierbar. Dabei ist der Fertigungsprozess als ganzes zu betrachten. So konnte beispielsweise gezeigt werden, welchen Einfluss die Qualität der Metallisierung des typischen Leiterplattenmaterials FR4 auf nachfolgende Degradationsprozesse haben kann. Außerdem konnte demostriert werden, dass notwendige Reinigungsprozesse vor der Applikation von Klebstoffen mittels elektrochemischer Methoden qualitative beurteilt werden können.