Reaktive Benetzung und Miniaturisierung von Lötverbindungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt untersuchte das Benetzungsverhalten flüssiger Metalle auf sehr kleinen Strukturbreiten mit der strategischen Zielrichtung, eine Miniaturisierung von Lötverbindungen zu erreichen. Zunächst wurde durch Untersuchung des Benetzungsverhaltens auf makroskopischen Proben ein korrektes Verständnis der Benetzungswinkel im Fall der reaktiven Weichlotverbindungen erarbeitet. Durch systematische Variation der Lotzusammensetzung konnten die beobachteten Benetzungswinkel vollständig auf die bekannte Legierungsthermodynamik der Schmelzen zurückgeführt werden und die Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit der Grenzflächenenergie und Adhäsionsarbeit quantitative beschrieben werden. Signifikante Diskontinuitäten in der Konzentrationsabhängigkeit der Benetzungswinkel werden eindeutig auf den Wechsel zwischen unterschiedlichen intermetallischen Reaktionsphasen zurückgeführt. Dieselben Lote wurden dann in ihrer Ausbreitung auf sehr dünnen Leiterbahnen untersucht, die die typische Geometrie der etablierten SMD Technik imitieren. Es zeigt sich, das die Benetzung auf diesen Bahnen unerwartet immer schwieriger wird je schmäler die Leiterbahnen werden. Formal lassen sich die dabei beobachteten erhöhten Benetzungswinkel mit einer unerwartet hohen Linienenergie der Kontakttripellinie quantitativ korrekt beschreiben. Die Studie zeigt, dass diese sehr hohe Linienenergie nicht als die gestörte chemische Wechselwirkung an der Linie, sondern eher als eine Konsequenz der Substratrauigkeiten verstanden werden muss. Durch die Lötreaktion selbst induziert, ist diese Rauigkeit eine unvermeidliche Konstante der Materialkombination aus Lotlegierung und Substratmetall. Vergleichende Untersuchungen an kleinen, sich frei ausbreitenden Löttropfen bis zu etwa 10 µm Größe zeigen überraschenderweise ein entgegengesetztes Verhalten. Der Benetzungswinkel nimmt bei Verkleinerung signifikant ab. Dies ist ein deutlicher Hinweis, dass die zuvor abgeleitete Tripellinienenergie als eine Eigenschaft der Benetzung entlang der Kante der Leiterbahn verstanden werden muss. Das beobachtete Verhalten bekommt wesentliche Bedeutung bei weiterer Miniaturisierung einer SMD Technologie. Das Design der entsprechenden Leiterbahnen muss die systematische Veränderung des Benetzungsverhaltens auf kleiner Struktur berücksichtigen, um eine zuverlässige Verbindung der Komponenten auf dem Board zu erreichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Miniaturization, Triple-Line Effects and Reactive Wetting of Micro-Solder Joints, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 7, 8935–8943
Samuel Griffiths, Patcharawee Jantimapornkij, Guido Schmitz
