Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Nanolot – gradierte Nanoverbundwerkstoffe mit funktionsorientierten Eigenschaften zur Verarbeitung mit additiven Fertigungstechnologien

Im Rahmen des geplanten Vorhabens „Nanolot“ sollen anwendungsorientierte, innovative Nanoverbundwerkstoffe mit neuen Funktionseigenschaften für das Fügen erforscht werden. Dies ermöglicht ein spezifisches, additives Verfahren, die Aerosoljet-Technologie, womit binäre Lotsysteme auf Nanopartikelbasis abgeschieden werden können. Die Besonderheit an diesem Prozess besteht in der Einstellung definierter Mischungsverhältnisse aus zwei unterschiedlichen Nanopartikelwerkstoffen bzw. Nanopartikeltinten. Durch eine derartige Partikelanordnungen lassen sich verschiedene Effekte miteinander verbinden: das Absenken der Schmelztemperatur durch den „Nanopartikeleffekt“ und das Einstellen von sowohl spezifisch eutektischer Zuständen als auch von gradierten Eigenschaften des Lotsystems. Hierfür wurden die Werkstoffe Zinn, Indium, Kupfer, Silber, Nickel und Gold in Absprache mit den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses (pbA) definiert. Da infolge der REACH-Verordnung, Beschränkung von chemischen Stoffen u.a. auch Blei in Loten, und dem steigenden technischen Bedarf an anwendungsorientierten Lotsystemen, vor allem aus den Bereichen Leistungs- und Konsumelektronik, Sensorik, Photovoltaik und Automotiv, neue Zusatzwerkstoffe mit niedriger Schmelztemperatur und guten mechanischen sowie elektrischen Eigenschaften entwickelt werden müssen. Hierfür biete die Nanotechnologie einen neuen technischen Lösungsansatz, um sowohl gegenwärtige fügetechnische Probleme lösen zu können, als auch das Potential neuer Entwicklungen umsetzen zu können. Das Vorhaben ermöglicht gerade den beteiligten KMUs die Realisierung heterogener Materialverbindungen für die Herstellung anspruchsvoller optische Elektroniksysteme, Cu-Keramik basierten Mikrokühlkörpern oder optoelektronische Bauelemente auf Chip- und Waferlevel. Weiterhin bietet der Ansatz das Potential der Entwicklung nichtmagnetsicher niedrigschmelzender Lote für neuartige Magnetsensorik.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte gezeigt werden, dass mittels induktiver Erwärmungstechnik Die-Attach-Bondverbindungen realisierbar sind. Dies stellt ein Novum dar, da das Die-Attach-Bonden mittels Induktion in der industriellen Anwendung bisher nicht existent ist. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren, bei denen das Die-Attach-Bonden zehn Minuten bis zu mehrere Stunden dauern kann, ist das induktive Bonden innerhalb weniger Sekunden sowie mit stark lokal begrenzter Wärmeeinbringung möglich. Insbesondere der Aspekt der Zeitersparnis beim Bondprozess birgt enormes wirtschaftliches Potenzial. Außerdem sind die kurzen Bondprozesszeiten als auch die lokal begrenzte Einbringung thermischer Energie positiv zu bewerten hinsichtlich der Vermeidung von thermischer Spannungen in den Bauteilen.

Der induktive Bondprozess konnte vor den eigentlichen Bondversuchen erfolgreich simuliert werden. Dadurch war es möglich, eine an die Geometrie der zu fügenden Teile angepasste Induktorengeometrie zu entwickeln, so dass eine für den Bondprozess optimierte Wärmeverteilung im Die-Attach erreicht wurde. Die erzielten Simulationsergebnisse sowie das dabei gewählte methodische Vorgehen können dabei auf andere Die-Attach-Layouts transferiert werden und ermöglicht es, den Bondprozess virtuell zu erproben, sodass kein teurer Prototypenbau mehr notwendig ist. Hinsichtlich der hergestellten Bondverbindungen in den praktischen Experimenten konnte mittels diverser analytischer Methoden nachgewiesen werden, dass die Verbindungen zwischen Halbleiterbauelement und Leiterplatte durch eine sehr gute stoffschlüssige und feste Anbindung gekennzeichnet sind, die Bondverbindungen, die mit konventionellen Bondverfahren hergestellt wurden, in nichts nachstehen. Auch konnte gezeigt werden, dass die Halbleiterbauelemente während des induktiven Bondprozesses nicht geschädigt werden. Die entwickelte Technologie ist (theoretisch) gut in konventionelle Bonder integrierbar und birgt enormes Potenzial für die industrielle Anwendung.