26/02/2016
Door Ad Spijkers
Op microprocessoren van smartphones zitten tal van kleine soldeerpunten. Maar mobiele telefoons worden steeds dunner én krachtiger en kunnen aanzienlijk opwarmen bij intensief gebruik. De kleine soldeerpunten worden dan de zwakke schakels in het systeem. Materiaalonderzoekers hebben een nieuw materiaal ontdekt, dat de componenten en materialen bliksemsnel chemisch kan verbinden.
In dunne mobiele apparaten moeten miljoenen minuscule reken- en geheugenunits in de nanometerrange worden samengebracht. De elektronische circuits in mobiele telefoons of tablets vormen een complexe, driedimensionale structuur die fungeert als een centraal zenuwstelsel dat alle functies regelt. Tot nu toe worden de elektronische componenten gesoldeerd in ovens bij temperaturen van enkele honderden graden Celsius. De legeringen van soldeerpunten moeten bij matige hitte smelten en stollen om de gevoelige circuits niet te vernietigen. Als de smartphone door intensief gebruik te warm wordt, beginnen de soldeerpunten door corrosie te ontbinden en stopt het apparaat er mee.
Onderzoekers van de Universität des Saarlandes, de Universiteit van Helsinki en het Paul Scherrer Institut in Zwitserland hebben naar andere manieren gezocht om metalen van enkele nanometers met elkaar te verbinden. Ze leggen daarvoor een aantal flinterdunne lagen aluminium en ruthenium (van duizend keer dunner dan een menselijke haar) op elkaar. Door een korte intense laserstraal in het nanometerbereik komt een grote hoeveelheid energie vrij, die zich voortplant met een snelheid van 10 m/sen en kan oplopen tot 2000°C. Door de kortstondige enorme hitte worden aangrenzende componenten wel aan elkaar gesmolten maar worden de IC’s niet beschadigd. Het resulterende materiaal ruthenium aluminide combineert de elementen van een dunne tussenlaag, net als bij soldeerpunten.
De chemische reactie waarbij plotseling veel energie vrijkomt, resulteert in een nauwkeurige en uniforme kristalstructuur. Hierdoor blijven de materialen stevig aan elkaar zitten, ook wanneer de mobiele telefoon erg warm wordt. De tussenlaag wordt niet bros door de reactie en is daardoor mechanisch zeer sterk. Door de laserpuls gebeurt de chemische reactie van de ruthenium-aluminiumlaag maar op enkele plaatsen, zeer kortstondig en erg lokaal. De soldeeroven kan vervallen, waardoor gevoelige elektronische componenten geen gevaar lopen. Het proces is ook interessant voor constructies waarbij metalen met kunststof of composietmaterialen moeten worden verbonden, zoals in de automobiel- en vliegtuigindustrie. Hiervoor is echter nog wel verder onderzoek nodig.
De foto toont een schematische weergave van de fysische processen tijdens de reactie. (a) Na de lokale ontsteking beweegt het reactiefront zich door de diverse lagen en geeft warmte af. (b) Direct vóór de reactie vindt voorzijde atomaire diffusie loodrecht op en thermische geleiding parallel aan de grensvlakken plaats.