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Statt Löten: Elektronik mit Reaktionswärme aus RNM-Schichten verbinden

Sensoren und andere temperaturempfindliche Bauteile können nicht einfach im Ofen verlötet werden. Forscher der EMPA haben sogenannte Reaktive Nano-Multischichten (RNMS) Materialien entwickelt, die unter Wärmeentwicklung selbst miteinander reagieren und leitende Verbindungen herstellen.

RNMS Bildquelle: © Empa

Die an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt  (EMPA) entwickelte RNMS-Folie, auch Reaktivfolie genannt, besitzt metallene Nano-Multischichten, die unter starker Wärmeentwicklung miteinander reagieren, allerdings nur kurze Zeit und nur an definierten Orten, sodass die Hitze keine unerwünschten Stellen an den Bauteilen erreicht.

Sie werden mit Lotmaterial zwischen die Bauteile gelegt, mit einem Funken oder Laser »gezündet«, worauf sie unter Freisetzung von Reaktionswärme reagieren, das Lot aufgeschmolzen und die Bauteile verbunden werden. Die Bauteile können nicht beschädigt oder zerstört werden.

Allerdings liegt der Teufel im Detail bei der Materialauswahl der RNMS und deren Dimensionierung. Kupfer leitet Wärme hervorragend, lässt sie aber auch weitgehend ungenutzt abfließen. Glas leitet schlecht und kann Hitze aufstauen, durch Überhitzung auch zerbersten.

Forscher der Empa-Abteilung «Fügetechnologie und Korrosion» rund um Bastian Rheingans und Jolanta Janczak-Rusch ist es nun gelungen, unterschiedliche und sogar sich gegenteilig verhaltende Materialien zu verbinden. Dazu wird das Fügesystem gezielt auf die Eigenschaften der jeweiligen Materialien angepasst, beispielswiese durch Art und Dicke der Reaktivfolie oder durch die Lotmenge.

»So ist es uns gelungen, sogar Kupfer mit Glas zu fügen, ohne dass es zu Schädigungen durch Hitze oder Thermospannungen kommt«, erklärt Rheingans und ergänzt: »Wir verstehen nun, wie welches Material auf das reaktive Fügen reagiert und können so Reaktivfolie und Lotsystem entsprechend anpassen«. Auch komplexe Aufbauten und Bauteile mit mehrstufigen Fügeprozessen lassen sich mittels reaktivem Fügen ohne Große Investitionen oder technischen Aufwand herstellen.

Großes Anwendungspotential sehen die Forscher der Empa etwa im Sensorik-Bereich, zum Beispiel im Aufbau von komplexen Sensor-Systemen, der vor-Ort-Montage von Sensoren und der Fertigung von hochwertigen Kleinserien. Aufgrund des flexiblen und einfachen Ansatzes sind Anwendungen in weiteren Bereichen denkbar.