Electronic packaging for harsh environments

The project focus on two similar joining technologies, SLID and LSD, suitable for use in harsh environments. They may be used for electronics assembly, but also for joining structural components. Both technologies have a low process temperature, but may be used at significantly higher temperatures after fabrication. Most often, this makes them reliable or applicable for high temperature operation. Key research results: SLID: - There has been relatively little research on the Ni-Sn material system a candidate for solid-liquid interdiffusion (SLID) bonding. The system has great potential since all intermetallic phases in the system have a very melting point; 798 °C - 1280 °C. - The project have shown that idiomorphic structures grow anisotropically between the liquid and solid phases very early during fabrication. This have a significant impact on the compliancy of the material in the final joint. As a result, large intrinsic stress in the joint create voids and cracks during fabrication. Despite this, the fabricated joints have shown the potential to be very strong. - The kinetics of the materials system have shown to be slow, i.e. it takes a long time to create joints. This could be resolved or significantly improved by use of a Ni-Sn paste. Unfortunately, such pastes are not commercially available at the moment. LSD: - Liquid solid diffusion (LSD) bonding is a novel joining technology characterized in that the joint is partially solid and partially liquid at high temperatures. - The project have demonstrated a significant increase in the effective melting point of the Au-Ge, Si-Sn and In-Sn systems. - The project have shown that phase segregation of the components leads to a change in the microstructure of the material. The material goes from being a slushy type material, with solid particles immersed in a liquid, to a porous structure, like bone or a foam, where the pores are filled with a liquid. This changes the properties of the material, e.g. such that may carry mechanical loads after initial melting. - High quality joints made from Au-Ge have been fabricated. They have limited defects and have shown potential to create strong joints.

Prosjektets resultater har vist potensiale for Solid-Liquid Interdiffusion og Liquid Solid Bonding som mulige teknologier for å sammenføye halvledere med termoelektriske komponenter for krevende miljøer. I noen tester har temperaturer på opp til 600°C blitt oppnådd uten degradering av sammenføyingen. Dette sammen med en målt skjærstyrke på opptil 40 MPa i sammenføyningen vitner om at vi har en mulig pakkingsteknologi som kan adressere mange nye teknologiområder innen en snar fremtid. Termoelektrisk teknologi kan f.eks. anvendes til energihøsting av spillvarme fra eksosrør eller fra fornybare varmekilder der termoelektriske materialer vil være en del av energiløsningen i fremtiden. Elektronikk med stort båndgap vil f.eks. være uunnværlig for instrumentering i varme oljebrønner. Slike elektronikksystemer vil generelt ha forbedret ytelse og bedre pålitelighet, og vil føre til nye produkter med ny funksjonalitet i anvendelser hvor det tidligere ikke har vært mulig å plassere elektronikk.

Formålet med prosjektet er å utvikle en pålitelig sammenføyningsteknologi for elektroniske systemer i krevende miljøer. To sammenføyningsteknologier vil undersøkes: Solid-Liquid Interdiffusion og Liquid Solid Bonding. Prosjektet omhandler prosessutvikling og analyse av mikrostruktur, mekaniske og elektriske egenskaper. Man kan kategorisere FoU-utfordringene slik: - Thermomekanisk belastning av systemet. Dette kan være generert fra systemet selv eller påført av ytre faktorer. - Fysisk og kjemisk kompatibilitet mellom komponenter i systemet. Hovedutfordringen er en sammensatt, koblet og kompleks problemstilling med opphav i begge kategoriene. F.eks vil en forskjell i utvidelseskoeffisient kombinert med termisk last ofte lede til mekanisk overbelastning og dermed brudd. Dette stiller høye krav for sammenføyning av høy kvalitet med få defekter og gunstige termomekaniske egenskaper. For å lage sterke sammenføyninger mellom ulike materialer, trenger man en viss grad av kjemisk diffusjon mellom materialene. Ulempen med dette er at den samme prosessen også kan degradere materialene på lang sikt, noe som til slutt kan lede til katastrofale systemfeil. Utfordringen ligger i å forstå problemstillingen i detalj samtidig som man har kontroll over og innsikt i materialer og prosesser. Termoelektrisk teknologi kan for eksempel anvendes til energihøsting av spillvarme f.eks. fra eksosrør eller fra fornybare varmekilder ? man ser for seg at energihøsting v.h.a. termoelektriske materialer vil være en del av energiløsningen i fremtiden. Elektronikk med stort båndgap vil f.eks. være uunnværlig for instrumentering i varme oljebrønner. Slike elektronikksystemer vil generelt ha forbedret ytelse og bedre pålitelighet, og vil føre til nye produkter med ny funksjonalitet i anvendeanvendelser hvor det tidligere ikke har vært mulig å plassere elektronikk.