Forscher an der Yale University haben ein neuartiges Lötmittel entwickelt, das sich besonders genau verarbeiten lässt.
Chip-Strukturen werden immer feiner – und inzwischen auch dreidimensional, was mehr Leistung auf weniger Raum verspricht. Um die empfindlichen Komponenten zu verdrahten, bedarf es jedoch gut dosierbarer Lötmittel. Ainissa Ramirez, Professorin für Maschinenbau an der Yale University, hat deshalb nun eine neuartige Legierung entwickelt, die sich mit Hilfe eines Magneten punktuell erhitzen und besonders genau verarbeiten lässt. Die Technik kommt genau zur rechten Zeit: Die Industrie setzt derzeit verstärkt auf Silizium im sogenannten Stacked Design. Dabei werden die Komponenten gestapelt aufgebaut und nicht mehr nur in der Fläche.
Ramirez' Lötmittel hat noch einen weiteren Vorteil: Es kommt ohne Blei aus, ist deshalb umweltfreundlicher als die Konkurrenten und von Importverboten für bleihaltige Elektronik in Japan und den EU-Mitgliedstaaten nicht betroffen. Dennoch ist es ausreichend haltbar. "Es erinnert an das flüssige Metall in "Terminator 2", aus dem der Roboter hergestellt wurde", sagt David Dunand, Professor für Materialwissenschaften an der Northwestern University. Ausreichende Festigkeit und magnetische Eigenschaften erhält das neue Lötmittel durch Eisenpartikel, die in die Legierung eingearbeitet werden.
Bisher vorgestellte Alternativen zur herkömmlichen Zinn-Blei-Mixtur hatten zumeist einen zu hohen Schmelzpunkt. Beim Verarbeiten entstanden deshalb so hohe Temperaturen, dass die verbauten Chips gefährdet werden. Versuche mit Verbundstoff-Lötmaterial waren bislang nur teilweise von Erfolg gekrönt. "Wir entschieden uns deshalb für magnetische Metallpartikel, die nicht nur die Festigkeit erhöhen, sondern auch neuartige Eigenschaften mit sich bringen", sagt Ramirez.
Das Ergebnis ist eine Zinn-Silber-Legierung, die eine Eisenpartikeldispersion mit rund zehn Mikrometern kleinen Eisenteilchen enthält. Legt man daran ein Magnetfeld an, passieren zwei Dinge: Zunächst erhitzen sich die Eisenpartikel punktuell und das Lötmittel schmilzt an der gewünschten Stelle. Dabei kommt ein physikalisches Prinzip zum Einsatz, das dem von Induktionsherden entspricht – der umgebende Bereich bleibt völlig kühl. Gleichzeitig richten sich die Eisenpartikel in Richtung des Magnetfeldes aus und drücken die Flüssigkeit in diese Richtung. Diese Ausrichtung bleibt erhalten, wenn das Lötmittel wieder abkühlt – so ist die Verbindung auch mechanisch sehr stabil. "Es ist fantastisch, dass man die Lötflüssigkeit nach Belieben bewegen kann", meint Experte Dunand. Das widerspreche eigentlich der physikalischen Erwartungshaltung.
Ramirez glaubt, dass ihr Lötmittel sich besonders gut für dreidimensionale Chips eignen wird – zum Aufbau von Verbindungen zwischen den Schichten. Aktuell werden dazu in einem chemischen Verfahren Löcher durch das Silizium gebohrt und die Wände dann mit Kupfer ausgekleidet. Die Oberflächenspannung des Kupfers regt anschließend das Lötmittel dazu an, sich durch das Loch zu bewegen. Doch der Prozess hat seine Einschränkungen. "Man hofft, dass das Lötmittel die Kupferwände hochwandert", sagt Ramirez. Doch das klappe nicht immer mit höchster Präzision, zudem sei die Beschichtung teuer. Ihr magnetisches Lötmittel lasse sich dagegen mit einem relativ schwachen Magneten durch das Silizium ziehen. "Unser Prozess ist sehr billig." Kein Wunder also, dass es bereits Interesse bei der Industrie gibt – aktuell unterhält sich die Forscherin mit Chip-Herstellern und einem Start-up namens Adhera Technologies, das die Vermarktung übernehmen könnte.
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