Entdeckung macht Löten von Elektronik-Bauteilen überflüssig

Ein neues Material, das Forscher der Universität des Saarlandes mit Kollegen in Helsinki entdeckt haben, fügt elektronische Bauelemente und Werkstoffe durch eine blitzartige chemische Reaktion zusammen. Das Verlöten der Bauelemente ist damit nicht mehr nötig.

Die Forschungsergebnisse wurden in den „Scientific Reports“ des US-Fachmagazins „Nature“ publiziert.

Aluminium plus Ruthenium

„Die elektronischen Schaltungen in Handys oder Tablets sind ein äusserst komplexes, dreidimensionales Gebilde, das wie ein zentrales Nervensystem alle Funktionen steuert“, sagt Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes.

Elektronische Bauelemente werden bisher in Öfen bei Temperaturen von einigen 100 Grad Celsius miteinander verlötet. Die Legierungen der Lötpunkte müssen bei mässiger Hitze schmelzen und wieder erstarren, um die empfindlichen Schaltkreise nicht zu zerstören.

„Wird das Smartphone jedoch später im intensiven Betrieb zu heiss, beginnen sich diese Lötpunkte durch Korrosion zu zersetzen, das Gerät fällt dann rasch aus“, erklärt Mücklich die nun gelöste Problemstellung.

„Wir legen dafür mehrere hauchdünne Schichten von Aluminium und Ruthenium übereinander, die tausendmal flacher sind als ein menschliches Haar. Wenn darauf ein kurzer intensiver Laserstrahl trifft, wird in der Nanometer-Schicht eine hohe Energiemenge freigesetzt, die sich mit einer Geschwindigkeit von zehn Metern pro Sekunde ausbreitet und bis zu 2.000 Grad Celsius erreichen kann“, unterstreicht der Wissenschaftler.

Ruthenium-Aluminid verbindet Bauteile

Der Vorteil der neuen Lösung: Durch die kurzzeitige enorme Hitze werden die benachbarten Bauteile fest miteinander verbunden, die integrierten Schaltkreise aber nicht beschädigt. Das dabei entstehende Material heisst Ruthenium-Aluminid. Es verbindet die Bauteile als dünne Zwischenschicht, so wie bisher die Lötpunkte.

Durch die chemische Reaktion, bei der abrupt viel Energie frei wird, nimmt es jedoch eine exakte, gleichmässige Kristallstruktur an. Dies konnten die Materialforscher sowohl in verschiedenen Experimenten als auch durch eine detaillierte Simulation der Atombewegungen in ihren Untersuchungen nun aufzeigen.

„Diese homogene Schicht verbindet die Materialien fest miteinander und bleibt wegen des hohen Schmelzpunktes im Gegensatz zur Lötverbindung auch dann noch stabil, wenn sich das ganze System stark erwärmen sollte. Im Vergleich zu Nickel-Aluminid, das von anderen Forschern bereits untersucht wurde, hat unser neues Verfahren den Vorteil, dass die Zwischenschicht durch die Reaktion nicht spröde wird und damit auch mechanisch äusserst belastbar ist“, erläutert der Materialwissenschaftler. Da man ohne die gleichmässige Hitze eines Schmelzofens auskommt, lassen sich kleinste Elektronik-Bauteile verbinden.

 

Artikel von: pressetext.redaktion
Artikelbild: Universität des Saarlandes (© Kondephy, Wikimedia, CC)