Materialforschung an der Uni Saarland »Blitzartige« Alternative zum Löten von Elektronik entdeckt

Professor Frank Mücklich, Uni Saarland

»Im Vergleich zu Nickel-
Aluminid, das von anderen 
Forschern bereits untersucht wurde, 
hat unser Verfahren den Vorteil, dass die Zwischenschicht 
durch die Reaktion nicht spröde wird und damit auch mechanisch äußerst belastbar ist.«
Professor Frank Mücklich, Uni Saarland: »Im Vergleich zu Nickel-Aluminid, das von anderen Forschern bereits untersucht wurde, hat unser Verfahren den Vorteil, dass die Zwischenschicht durch die Reaktion nicht spröde wird und damit auch mechanisch äußerst belastbar ist.«

Lötpunkte können bei intensivem Geräte-Betrieb erheblich erhitzen und werden zur Schwachstelle im System. Materialforscher der Uni des Saarlandes haben im Forschungsverbund ein neues Material entdeckt, das solche Bauelemente und Werkstoffe durch eine blitzartige chemische Reaktion zusammenfügt.

Elektronische Bauelemente werden immer kleiner und müssen gleichzeitig vielfältig miteinander vernetzt werden. In flachen Mobilgeräten etwa sind Millionen von kleinsten Rechen- und Speichereinheiten im Nanometerbereich anzuordnen. "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 und Leiter des Steinbeis-Forschungszentrums für Werkstofftechnik (MECS).

Die elektronischen Bauelemente werden bisher in Öfen bei Temperaturen von einigen Hundert °C miteinander verlötet. Die Legierungen der Lötpunkte müssen bei mäßiger Hitze schmilzen 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.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern in Helsinki hat sein Team daher nach anderen Möglichkeiten gesucht, um Metalle in der Dimension von wenigen Nanometern miteinander zu verbinden. "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 10 m/s ausbreitet und bis zu 2000 °C erreichen kann", erklärt Mücklich. Durch die kurzzeitige enorme Hitze werden die benachbarten Bauteile miteinander fest 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 zeigen. "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", erläutert der Materialwissenschaftler.
 

"Im Vergleich zu Nickel-Aluminid, das von anderen Forschern bereits untersucht wurde, hat unser Verfahren den Vorteil, dass die Zwischenschicht durch die Reaktion nicht spröde wird und damit auch mechanisch äußerst belastbar ist", sagt Frank Mücklich. Da man ohne die gleichmäßige Hitze eines Schmelzofens auskommt, lassen sich mit der neuen Methode empfindliche Elektronik-Bauteile auf engstem Raum miteinander verbinden. "Durch den Laserimpuls können wir die chemische Reaktion der Ruthenium-Aluminium-Schicht an wenigen Punkten auslösen und so steuern, dass auf winzigen Flächen kurzzeitig eine starke Hitze entsteht und nur wenige Mikrometer weiter normale Zimmertemperaturen herrschen", nennt Mücklich als weiteren Vorteil. Diese flexible Steuerung mache das Verfahren auch für Bauteile interessant, bei denen Metalle mit Kunststoffen oder Verbundmaterialien verbunden werden müssen, etwa in der Automobil- und Flugzeugindustrie. "Man könnte die verbindende Schicht zum Beispiel so aufbauen, dass die Wärme sowohl das Metall als auch den sich völlig anders verhaltenden Verbundwerkstoff mit der jeweils passenden Energiemenge aufschmelzt. Dann könnte man, wie wir vermuten, beide blitzartig miteinander verschweißen", erklärt der Saarbrücker Forscher.

In weiteren Untersuchungen soll es nun darum gehen, die Komponenten von Ruthenium- und Aluminiumatomen geometrisch so aufzubauen, dass man alle gewünschten Eigenschaften wie auf Knopfdruck abrufen kann. "Wir gehen davon aus, dass sich damit viele hitzeempfindliche Bauteile schonend und gleichzeitig extrem rasch zusammenfügen lassen. Es wird aber auch dabei helfen, ganz unterschiedliche Materialien miteinander zu verbinden, bei denen bisher mit Schweißen, Löten oder Kleben keine befriedigenden Ergebnisse zu erzielen waren", sagt Frank Mücklich.