Entwicklung eines laserstrahlunterstützten Tropfen-Jet-Hartlötverfahrens zur Erweiterung der Prozessgrenzen konventioneller Drahtbondverfahren für die Aufbau- und Verbindungstechnik (T04#)

• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 21440441

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist, das im Rahmen des Teilprojektes A04 des SFB/Transregio 39 PT-PIESA entwickelte Tropfen-Jet-Hartlötverfahren, als Fügeverfahren für die elektronische Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) zu qualifizieren. Aktuell stellen das Ultraschalldrahtbonden und das Weichlöten den Stand der Technik in der elektronischen AVT dar. Bei ersterem Verfahren müssen auf Siliziumhalbleitern Kupferpufferschichten aufgebracht werden, um eine mechanische Schädigung des Si-Halbleiters während des Ultraschalldrahtbondprozesses zu verhindern. Beim Weichlöten stellt insbesondere die niedrige thermische Stabilität der Lötverbindungen von ca. 230 °C zunehmend ein Problem für die Anwendbarkeit beispielsweise in der Leistungselektronik dar. Das Tropfen-Jet-Hartlötverfahren verspricht dabei, die Nachteile beider genannter Standardverfahren zu vermeiden. Bei dem Verfahren wird ein sphärisches Lotformteil in eine Kapillare eingebracht, durch einen Laserpuls aufgeschmolzen und im Anschluss durch Inertgasüberdruck aus der Kapillare ausgetrieben. Dabei können Hartlotlegierungen verarbeitet werden, die gegenüber Weichlot eine um ca. 700 °C höhere Schmelztemperatur besitzen, wodurch sich die thermische Stabilität der Lötverbindung im Vergleich zum Weichlöten um den Faktor drei bis vier erhöhen lässt. Es können durch die berührungslose Natur des Verfahrens im Vergleich zum Ultraschalldrahtbonden hochtemperaturstabile Kontaktierungen auch auf Folien oder Metallisierungen bzw. Elektrodenstrukturen mit nur wenigen Mikrometern Stärke aufgebracht werden. Um das Verfahren jedoch für die Serienfertigung in der elektronischen AVT zu qualifizieren, muss eine schmelzmetallurgische Kompatibilität zwischen Grund- und Hartlotwerkstoff sichergestellt werden, wobei insbesondere die in der elektronischen AVT gängigen Passivierungsschichten zu berücksichtigen sind. Der Schwerpunkt der Arbeiten besteht somit darin, die bisher erarbeiteten grundlegenden Kenntnisse auf ein breiteres Materialspektrum zu erweitern. Es wird davon ausgegangen, dass sowohl die verwendete Lotlegierung und das Volumen des Lotformteils, als auch das Grundmaterial, dessen Passivierungsschicht und die Geometrie der zu kontaktierenden Elektrodenstruktur, einen Einfluss auf das Prozessergebnis haben. Um diese Einflüsse jeweils diskret quantifizieren zu können werden die Untersuchungen durch numerischen Simulationen ergänzt. Dabei werden die erzeugten Kontaktierungen metallurgisch, mechanisch und elektrisch charakterisiert und hinsichtlich der Relevanz für die AVT beurteilt. Die potenziellen Anwendungsfelder einer derartigen Fügetechnologie erstrecken sich von der Leistungselektronik über die Automobilindustrie bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Auch kann durch eine hochtemperaturstabile Kontaktierung beispielsweise der Wirkungsgrad von Peltierelementen erhöht werden. Daneben ist die Technologie auch für Schaltungsträger, welche in „Harsh Environments“ eingesetzt werden vielversprechend.

• DFG-Verfahren: Transregios (Transferprojekt)
• Teilprojekt zu: TRR 39: Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und -aktoren (PT-PIESA)
• Antragstellende Institution: Technische Universität Chemnitz
• Mitantragstellende Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg; Technische Universität Dresden
• Unternehmen: F&K Delvotec Bondtechnik GmbH
• Teilprojektleiter: Dr.-Ing. Stephan Roth; Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt