Selbstheilendes Lot für elektronische Komponenten

Ein selbstheilender und widerstandsfähiger Lotwerkstoff soll künftig die Elektronik schützen. Neben einen neuen Werkstoff soll mit einer computergestützten Simulation die Lebensdauer der Lotwerkstoffe vorhergesagt werden.

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Elektronikbauteile im Fahrzeugbau oder in der Industrie müssen ganz unterschiedlichen Belastungen standhalten. Dazu gehören große Temperaturunterschiede oder auch Vibrationen. Eine Schwachstelle dabei ist die Lotlegierung, welche die Bauteile auf der Leiterplatte fixiert. Risse im Lot können Störungen in der Elektronik verursachen.

Forscher der Technischen Universität Wien und dem Materials Center Leoben arbeiten zusammen mit dem ZKW im Projekt Solaris (Solider and Reliability Improvements) an einem Lotwerkstoff mit selbstheilenden Eigenschaften. Das kann durch teilweises Aufschmelzen des Lots bei Betriebstemperatur erreicht werden, wodurch sich beginnende Risse schließen und mechanische Spannungen abbauen lassen. „Sogenannte nicht-eutektische Legierungen könnten dank selbstheilender Eigenschaften der Schlüssel zum Erfolg sein“, erklärt Oliver Schubert, CEO der ZKW Group. ZKW entwickelt und fertigt solche elektronische Baugruppen. Eingesetzt werden sollen solche Lote für Verbindungen von High-Power-LEDs und anderen Leistungshalbleitern für die Automobilindustrie – etwa Steuergeräte und Lichtmodule – am Standort Wiener Neustadt.

Betriebstemperaturen bis 140 °C

Aktuell kommt für die Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen und Leiterplatte das Weichlötverfahren mit Zinn-Silber-Kupfer-Lot zum Einsatz. Bei Halbleiter-Komponenten steigen aber sowohl Leistungsdichte und Einsatztemperatur als auch die geforderte Lebensdauer. Gemäß der neuen Norm GMW3172 sind Zyklen im Temperaturbereich von -40 bis 140 °C zu bestehen. Herkömmliche Lote halten nur bis einer maximalen Betriebstemperatur von 120 °C, während aktuelle High-Power-LEDs oder Leistungstransistoren bis zu 140 °C und mehr vertragen.

Thermo-mechanisch hoch belastete Weichlötwerkstoffe kommen hier an ihre Grenzen. Kriechvorgänge, Porenbildung und Rissbildung führen schlussendlich zum Versagen der Baugruppe. Als Lösung werden derzeit teure oder schwierig zu verarbeitende Leiterplattensubstrate und exotische Package-Materialien eingesetzt.

Lebensdauer vorhersagen

Zusätzlich forscht der Lichtsysteme-Spezialist gemeinsam mit den Partnern auch an computerunterstützten Simulationen, die eine Vorhersage der Lebensdauer des neuen Lotwerkstoffs ermöglichen sollen. Dabei werden Testbaugruppen simuliert und für Versuche hergestellt, um sie unter Extrembedingungen bis zum Ausfall zu belasten. Mit diesen Tests lassen sich Modelle überprüfen und eine Vorhersage der zu erwartenden Lebensdauer treffen. Die Technische Universität Wien unterstützt nicht nur mit Grundlagenforschung, sondern auch mit thermodynamischen Berechnungen zu Lotlegierungen.

Darüber hinaus stellt sie Labor- und Testequipment zur Verfügung, etwa ein modernst ausgerüstetes Scanning Electronic Mikroskop. Das Materials Center Leoben wiederum bringt seine Expertise bei Modellierung, Simulation, Lebensdauerprognose und Schadensanalyse ein. Ein Schwerpunkt ist die Analyse von defekten Bauteilen mittels bildgebender Verfahren wie Röntgentomografie. Dieses Know-how nutzt ZKW, um beispielsweise zerstörte Elektronikkomponenten zu untersuchen und eine Prognose der Lebensdauer zu erstellen.

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