Electronic packaging for harsh environments

Prosjektet forsker på to lignende sammenføyningsteknologier, SLID og LSD, som egner seg for bruk i krevende miljøer. Dem kan brukes for sammenstilling av elektronikk, men også for sammenføyning av strukturelle komponenter. Dem har til felles at dem kan lages ved en lav prosesstemperatur, men etterpå brukes ved en vesentlig høyere temperatur. Dette gjør dem ofte pålitelige eller muliggjør bruk ved høye temperaturer. Hovedsakelige resultater: SLID: - Ni-Sn er et materialsystem som det forsket relativt lite på for solid-liquid interdiffusion bonding (SLID). Potensialet er stort siden alle de mulige intermetalliske fasene i systemet har en veldig høy smeltepunkt; 798 °C - 1280 °C. - Prosjektet har vist at idiomorfa strukturer av en intermetall vokser fram anisotropt i grensesjiktet mellom fast og flytende materiale under framstilling av sammenføyningen. Det har en signifikant betydelse for føyeligheten til sammenføyningen og leder til store spenninger i fugen. Dette leder i sin tur til at det formes mange defekter, hull og sprekker, i fugen. Til tross for dette ser sammenføyningene ut å ha potensiale for å bli veldig sterke. - Prosjektet har videre vist at kinetikken til systemet er treig, i.e. det tar lang tid å lage en sammenføyning. Dette kan sannsynligvis løses eller forbedres betraktelig hvis en pasta av Ni-Sn brukes. Dessverre er en slik pasta i dag ikke kommersielt tilgjengelig. LSD: - Liquid solid diffusion bonding (LSD) er en helt ny sammenføyningsteknologi hvor fugen er delvis fast og delvis flytende ved høye temperaturer. - Prosjektet har demonstrert en signifikant forhøyning av det effektive smeltepunktet for Au-Ge, Si-Sn og In-Sn systemene. - Det har blitt vist at det skjer en segregasjon av fasene som leder til en forandring av mikrostrukturen til materialet i fugen. Materialet går fra å være et materiale med faste partikler i en veske, som slaps, til en porøs struktur, som et bein eller et skum, hvor porene er fylte med en veske. Dette fører til forandre egenskaper til materialet, bl.a. at materialet kan bære mekaniske laster over initial smelting. - Det har blitt lagd sammenføyninger av god kvalitet med Au-Ge. Dem har få defekter og har vist seg å ha potensiale for skape sterke fuger.

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.