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Verbindungstechnik Metallkleber soll den Lötprozess in der Elektronikfertigung ersetzen

Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Der Metallkleber MesoGlue besitzt eine hohe thermische sowie elektrische Leitfähigkeit und verbindet Metall mit anderen Materialien ohne Hitzeeinwirkung – wodurch sich das Risiko von Hitzeschäden beim Löten reduziert.

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Ein Metallkleber auf Basis von Nanostäbchen könnte in Zukunft den Lötprozess in der Elektronikfertigung ersetzen.
Ein Metallkleber auf Basis von Nanostäbchen könnte in Zukunft den Lötprozess in der Elektronikfertigung ersetzen.
(Bild: MesoGlue)

Die fortschreitende Miniaturisierung von Elektronikkomponenten macht das Löten immer anspruchsvoller und Fehlstellen können bekannterweise zum Versagen von Verbindungen oder Bauteilen führen. Materialwissenschaftler der Northeastern University (NU) in Boston haben nun eine Verbindungstechnik entwickelt, die in Zukunft den Lötprozess überflüssig machen soll.

Metall und Kleber ist den meisten Leuten bekannt. Die Kombination aus beiden ist allerdings relativ neu. Mithilfe eines Metallklebers, dem MesoGlue, können thermisch und elektrisch hoch leitfähige Bindungen zwischen Metall und anderen Dingen erzeugt werden – und das bei Raumtemperatur. Diese Dinge können alles sein: CPUs von Computern, PCBs auf Glas oder auch Metallfilamente in Glühbirnen. Huang, Professor und Lehrstuhlinhaber des Department of Mechanical and Industrial Engineering an der NU sagt dazu: „Es ist wie Löten, nur ohne Hitze“.

So entsteht die Metallverbindung mit dem MesoGlue bei niedrigen Temperaturen: (a) die zwei Oberflächen mit den gleichmäßig angeordneten Nanostäbchen werden zusammengeführt, (b) mit etwas Druck verbinden sich die „Kämme“, (c) die „Zähne“ kommen in Kontakt, wodurch sich aus der Hülle eine eutektische Legierung bildet, welche bei Raumtemperatur flüssig ist, (d) durch den Kontakt mit dem Metallkern der Nanostäbchen bildet sich eine drei-Komponenten-Legierung die bei Raumtemperatur fest ist.
So entsteht die Metallverbindung mit dem MesoGlue bei niedrigen Temperaturen: (a) die zwei Oberflächen mit den gleichmäßig angeordneten Nanostäbchen werden zusammengeführt, (b) mit etwas Druck verbinden sich die „Kämme“, (c) die „Zähne“ kommen in Kontakt, wodurch sich aus der Hülle eine eutektische Legierung bildet, welche bei Raumtemperatur flüssig ist, (d) durch den Kontakt mit dem Metallkern der Nanostäbchen bildet sich eine drei-Komponenten-Legierung die bei Raumtemperatur fest ist.
(Bild: H. Huang)

Möglich wird dies durch die Eigenschaften metallischer Nanostäbchen. Diese bestehen aus einem Metallkern mit einer speziellen Hülle aus Indium und Gallium. Die Nanostäbchen sind entlang der Substrate ähnlich wie die Zähne an einem Kamm angeordnet (siehe Abbildung). Verbinden sich zwei Oberflächen miteinander, verzahnen sich die Nanostäbchen. Zusätzlich verflüssigt sich die Hülle aus Indium und Gallium. Das Ergebnis ist eine flüssige Metalllegierung, die sich zwischen die verzahnten Nanostäbchen drängt und sich mit der Zeit verfestigt.

Die dabei entstehende Bindung soll sehr temperaturstabil und korrosionsbeständig sein. Zudem soll der Kleber Wärme besser abführen als Wärmeleitpasten, die herkömmlicherweise zwischen elektronischen Komponenten verwendet werden. Eine Simulation zeigt eine Verringerung der CPU-Temperatur um durchschnittlich 8°C ± 3°C (im Vergleich mit Arctic Silver 5, bei 61°C). Auch die elektrische Leitfähigkeit soll der einer Metall-Bindung entsprechen.

Ein großer Vorteil des Verfahrens ist, dass im Vergleich zu Lötprozessen keine hohen Temperaturen nötig sind. Somit werden benachbarte Komponenten oder Verbindungen nicht beeinträchtigt. Hitzebedingte Schäden, die beispielsweise ein Versagen des Bauteils beschleunigen können, werden reduziert.

Anwendungen gibt es zahlreich, viele davon in der Elektronikindustrie. So könnte MesoGlue Wärmeleitpasten ersetzen, die zurzeit verwendet werden. Als elektrischer Leiter könnte der Kleber das Löten ersetzten. Zu den Produkten zählen Solarmodule oder auch Komponenten für Computer und tragbare Geräte.

Journal Reference:

Stephen Stagon, Alex Knapp, Paul Elliott and Hanchen Huang: "Metallic Glue for Ambient Environments Making Strides", Advanced Materials & Processes, January 2016

(ID:43829672)

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