IN-situ Studies of highly conductive bonded interfaces between Aluminium and copper at the Nano-scalE

Muligheten for å produsere ledende Cu / Al-mikrosveiser med sterke og skarpe grenseflater er nøkkelen til suksess i produksjon av alle typer batteripakker. Slike sveiser eller skjøter vil sikre effektiv, pålitelig og bærekraftig energitransport og lagring. Så langt finnes det ingen teknologi for å produsere slike skjøter i fast tilstand over flere størrelsesordener, samtidig som man opprettholder full kontroll og forståelse av prosessen. I dette prosjektet har vi som mål å utvikle 'Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB)' -prosessen (patentert av en av søkerne) i fast tilstand for Al / Cu-mikrosveiser på skalaer som er relevante for elektronisk emballasje. Mikro-HYB-prosessen vil bli studert in-situ, inne i et modifisert skanningelektronmikroskop utstyrt med en fokusert ionstråle og dedikerte enheter for elektrisk og kjemisk karakterisering. Dette tillater nanoskala undersøkelser og ekstraksjon av prøver for etterfølgende karakterisering på atomskala ved hjelp av transmisjonselektronmikroskopi. Vi vil benytte oss av NorFab og NORTEM-fasilitetene helt til grensen av deres tekniske muligheter. Å kontrolllere sammenføyningene på dette nivået vil gi muligheter for rask utvikling av HYB-prosessen slik at den kan utkonkurrere vanlige sammenføyningsprosesser i dag. Samtidig vil vi samle dypere innsikt i forskjellige faststoff metallforbindelser - kunnskap vi ikke har i dag, men som er viktig for å nå målet om kontinuerlig elektrifisering. IN-SANE-prosjektet har støtte i fire år, involverer to doktorgradsstipendiater og er et nytt samarbeid mellom to institutter (Institutt for fysikk og Institutt for maskinteknikk og produksjon) ved NTNU og SINTEF, sammen med internasjonale verdensledende eksperter. To doktorgradsstudenter ble ansatt på prosjektet i august 2020. De er nå ferdige med fagdelen, og har lært seg de avanserte karakteriseringsteknikkene (FIB-SEM og TEM). Vi har gjennomført den første sveisingen mellom aluminium og aluminium inne i FIBen, og holder på med å karakterisere denne. Vi har også gjort styrkeberegninger og begynt å måle styrken til disse mikrosveisene. Vi har videre laget forskjellige sveiser mellom aluminium og kobber med den vanlige HYB-teknikken (med varierende parametere) og holder på å karakterisere disse.

The possibility of producing dissimilar and highly conductive Cu/Al microjoints with strong and sharp interfaces is the key to success in manufacturing of all types of battery power packs. Such joints will ensure efficient reliable and sustainable energy transport and storage. Yet, no technology exists to produce the target joints in the solid state without size limitations while maintaining full control and understanding of the process. We aim to develop the solid-state Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) process (patented by the applicants) for Al/Cu microjoining at scales relevant to electronic packaging. The micro-HYB process will be studied in-situ, inside a modified Scanning Electron Microscope (SEM) equipped with a Focused Ion Beam (FIB) and dedicated devices for electrical and chemical characterization. This allows nanoscale studies and straightforward extraction of samples for subsequent atomic scale characterization by means of Transmission Electron Microscopy (TEM) utilizing the NorFab and the NORTEM facilities at the edge of their technical capabilities. This level of control during joining will allow a quick development of the HYB process to a level where it may outperform commonplace joining processes. Simultaneously, we will gather deep insight into dissimilar solid-state metal joining - knowledge that is limited but essential to reach the goal of continuous electrification. The IN-SANE project seeks support for 4 years, involves two PhD fellowships and is a new collaboration between two departments (Physics and Mechanical and Industrial Engineering) at NTNU and SINTEF, together with international world leading experts.