Einsatzmöglichkeiten leitender Klebstoffe zur zuverlässigen Kontaktierung elektronischer Bauelemente in der SMT

dc.contributorFeldmann, Klaus
dc.contributorSauer, TU Dresden, W.
dc.contributor.advisorFeldmann, Klaus
dc.contributor.authorLuchs, Ralf
dc.contributor.editorFeldmann, Klaus
dc.contributor.editorGeiger, Manfred
dc.date.accessioned2020-05-04
dc.date.available2020-05-02
dc.date.created1998
dc.date.issued2020-05-04
dc.description.abstractThe production of electronic assemblies is subject to a highly dynamic change comparable to hardly any other branch of industry due to ever faster product and process developments and therefore places high demands on the innovative ability of the individual companies. Not least because of the steadily increasing number of joints between components and circuit boards, the connection technology plays an important role. The aim of the work was to systematically examine and evaluate a supplement to the tin-lead soldering technology, which in many areas no longer met the current requirements. The focus was on the connection of surface-mountable components (SMDs), since these represent the dominant part of the component spectrum at present and in the near future. Initially, alternatives to lead-based soldering were compared and their application potential in SMT was compared. Especially with a view to environmental compatibility and moderate processing temperatures, isotopically electrically conductive gluing emerged as a particularly inexpensive variant. Taking into account a derived requirement profile, a numerous group of currently available materials was selected in order to check the suitability of the conductive adhesive for the production of functional, reliable assemblies. In addition, new types of adhesives were included in the trials, which resulted not least from intensive collaboration with the raw material manufacturers. It could be shown that electrically conductive adhesives are quite suitable for the production of functional SMT assemblies with regard to their mechanical as well as electrical characteristics. In addition, concepts for repairing adhesive bonds were presented and their feasibility was demonstrated as an example. A comparison of the joining material costs showed that the direct replacement of solder materials with conductive adhesives does not result in any direct financial advantages. On the other hand, a holistic view, taking into account the wider range of available carrier materials due to the lower process temperatures of the adhesives, clearly shows savings. The latter could be confirmed in the further course of the work, using MID technology as an example. The precise and reliable dosing of filled conductive adhesives places high demands on the respective machines and systems. A systematic, multi-stage procedure was designed to evaluate the combination of dosing unit and adhesive, which includes a material-specific optimization of the process parameters. Using the example of a quasi-volumetric pressure-time dispenser, the dosing behavior of different adhesives compared to solder pastes was checked. This resulted in statements about achievable accuracies and process safety, which provided proof of the suitability of dispensing conductive adhesives for SMT applications. For the first time it could be shown that conductive adhesives with nanoscale fillers can also be processed reliably in the dispensing process. This is an important prerequisite for the series introduction of these advantageous materials. In addition to the processing properties, long-term reliability is a key criterion for the use of conductive adhesives in SMT. The implementation of various standardized test procedures revealed the strengths and weaknesses of conductive adhesive compared to soldering and provided important insights into damage mechanisms and the suitability of different joining partner surfaces. Extreme moisture exposure turned out to be a critical type of stress when gluing the tinned surfaces, which are still predominant in SMT. Effective measures to improve moisture resistance could be derived within the framework of suitable tests. In addition to a targeted optimization of the process parameters, the application of protective coatings based on polymer coatings proved to be an efficient method to increase the service life of SMT connections with the problematic tin surfaces. In addition, X-ray radiation was qualified as a suitable method for fault detection in conductive gluing, especially of area array components. The low processing temperatures make conductive adhesives seem ideal for use in the area of spatial, injection-molded circuit carriers (3-D MID). As a consequence, a 3-D capable dosing system was developed and built, and basic investigations on conductive gluing on spatial circuit boards were carried out. Based on product-related, industry-standard reliability tests, conductive adhesive could also be qualified on thermally poorly resistant plastics. Extensive analyzes of the thermal shock resistance and damage behavior of SMT connections with numerous MID material and process combinations demonstrated the possibilities but also the limits of conductive adhesives and their behavior, which is more favorable than that of solder materials, with regard to compensating for different thermal expansions. The experience gained was implemented in the development and manufacture of prototypical MID products. In addition, a rating scheme has been presented, which facilitates decision-making in the economical selection of materials and connection technologies for MIDs. Finally, using current developments in the field of adhesives as well as components and circuit carriers, perspectives and trends in conductive adhesive for future product generations were shown. Special mention should be made of the first proof of the UV curability of isotopically conductive SMT adhesives, which is an important basis for further work.en
dc.description.abstractDie Herstellung elektronischer Baugruppen unterliegt aufgrund immer rasanter verlaufender Produkt- als auch Prozeßentwicklungen einem mit kaum einer anderen Industriesparte vergleichbaren, höchst dynamischen Wandel und stellt somit hohe Anforderungen an die Innovationsfähigkeit der einzelnen Unternehmen. Nicht zuletzt wegen der stetig steigenden Anzahl von Fügestellen zwischen Bauteilen und Leiterplatten spielt dabei gerade die Verbindungstechnik eine bedeutende Rolle. Ziel der Arbeit war, eine Ergänzung zu der, in vielen Bereichen nicht mehr den aktuellen Ansprüchen genügenden Technologie des Zinn-Blei-Lötens systematisch zu untersuchen und zu bewerten. Der Schwerpunkt lag dabei im Bereich der Verbindung oberflächenmontierbarer Bauelemente (SMDs), da diese derzeit und auch in naher Zukunft den dominierenden Anteil des Bauteilspektrums repräsentieren. Dabei wurden zunächst Alternativen zum bleihaltigen Löten gegenübergestellt und deren Einsatzpotential in der SMT vergleichend bewertet. Vor allem mit Blick auf die Umweltverträglichkeit und die moderaten Verarbeitungstemperaturen kristallisierte sich das isotrop elektrisch leitfähige Kleben als besonders günstige Variante heraus. Unter Berücksichtigung eines abgeleiteten Anforderungsprofiles wurde eine zahlreiche Gruppe aktuell verfügbarer Materialien ausgewählt, um die Eignung des Leitklebens zur Herstellung funktionsfähiger, zuverlässiger Baugruppen zu überprüfen. Darüber hinaus wurden neuartige Klebstoffe in die Versuche einbezogen, die nicht zuletzt aus einer intensiven Zusammenarbeit mit den Rohstoffherstellern heraus entstanden sind. Es konnte gezeigt werden, daß elektrisch leitfähige Klebstoffe sowohl im Hinblick auf deren mechanische als auch elektrische Charakteristika durchaus geeignet sind zur Herstellung funktionsfähiger SMT-Baugruppen. Daneben wurden Konzepte zur Reparatur von Klebeverbindungen vorgestellt und deren Machbarkeit exemplarisch nachgewiesen. Ein Vergleich der Fügematerialkosten ergab, daß durch den reinen Ersatz von Lotmaterialien durch Leitklebstoffe keine direkten finanziellen Vorteile entstehen. Eine ganzheitliche Betrachtung unter Berücksichtigung des durch die niedrigeren Prozeßtemperaturen der Klebstoffe erweiterten Spektrums verfügbarer Trägerwerkstoffe läßt dagegen durchaus Einsparungen erkennen. Letzteres konnte im weiteren Verlauf der Arbeit, am Beispiel der MID-Technologie, bestätigt werden. Das präzise und zuverlässige Dosieren gefüllter Leitklebstoffe stellt hohe Ansprüche an die jeweiligen Maschinen und Anlagen. Zur Bewertung der Kombination Dosiereinheit Klebstoff wurde eine systematische, mehrstufige Vorgehensweise konzipiert, die eine materialspezifische Optimierung der Prozeßparameter beinhaltet. Am Beispiel eines quasivolumetrischen Druck-Zeit-Dispensers wurde das Dosierverhalten unterschiedlicher Klebstoffe im Vergleich zu Lotpasten überprüft. Es resultierten Aussagen über erreichbare Genauigkeiten und Prozeßsicherheiten, die einen Nachweis der Einsatzfähigkeit des Dispensens von Leitklebstoffen für SMT-Anwendungen erbrachten. Erstmals konnte aufgezeigt werden, daß auch Leitklebstoffe mit nanoskaligen Füllstoffen im Dispensverfahren zuverlässig verarbeitbar sind. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die Serieneinführung dieser vorteilhaften Materialien dar. Neben den Verarbeitungseigenschaften ist vor allem die Langzeitzuverlässigkeit ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz von Leitklebstoffen in der SMT. Die Durchführung verschiedener, genormter Testverfahren offenbarte Stärken und Schwächen des Leitklebens im Vergleich zum Löten und lieferte wichtige Erkenntnisse über Schadensmechanismen und die Eignung unterschiedlicher Fügepartneroberflächen. Extreme Feuchteeinwirkung stellte sich als kritische Belastungsart beim Verkleben der, in der SMT immer noch vorherrschenden, verzinnten Oberflächen heraus. Im Rahmen geeigneter Versuche konnten wirksame Maßnahmen zur Verbesserung der Feuchtebeständigkeit abgeleitet werden. Neben einer gezielten Optimierung der Prozeßparameter erwies sich dabei vor allem die Applikation von Schutzüberzügen auf Basis von Polymerlacken als eine effiziente Methode zur Erhöhung der Lebensdauer von SMT Verbindungen mit den problematischen Zinnoberflächen. Ergänzend dazu wurde die Röntgendurchstrahlung als geeignetes Verfahren zur Fehlerdetektion beim Leitkleben, vor allem von Area-Array-Bauelementen, qualifiziert. Die geringen Verarbeitungstemperaturen lassen leitende Klebstoffe prädestiniert erscheinen für den Einsatz im Umfeld räumlicher, spritzgegossener Schaltungsträger (3-D MID). In der Konsequenz wurde ein 3-D-fähiges Dosiersystem entwickelt und aufgebaut sowie grundlegende Untersuchungen zum Leitkleben auf räumlichen Schaltungsträgern durchgeführt. Auf Basis produktbezogener, industrieüblicher Zuverlässigkeitstests konnte eine Qualifizierung des Leitklebens auch auf thermisch gering beständigen Kunststoffen erfolgen. Umfangreiche Analysen zur Temperaturwechselfestigkeit und Schadensverhalten von SMT-Verbindungen bei zahlreichen MID-Material- und Verfahrenskombinationen demonstrierten Möglichkeiten aber auch Grenzen von Leitklebstoffen und deren, gegenüber Lotmaterialien günstigeres Verhalten bezüglich des Ausgleichs unterschiedlicher Wärmedehnungen. Die gewonnenen Erfahrungen konnten umgesetzt werden bei der Entwicklung und Herstellung prototypischer MID-Produkte. Ergänzend ¡stein Bewertungsschema vorgestellt worden, welches die Entscheidungsfindung bei der wirtschaftlichen Auswahl der Materialien und Verbindungstechnologien für MIDs erleichtert. Am Beispiel aktueller Entwicklungen sowohl im Bereich der Klebstoffe als auch der Bauelemente und Schaltungsträger wurden abschließend Perspektiven und Trends des Leitklebens für zukünftige Produktgenerationen aufgezeigt. Hervorgehoben sei in diesem Zusammenhang der erstmalig erbrachte Nachweis der UV-Härtbarkeit isotrop leitfähiger SMT-Klebstoffe, was eine wichtige Grundlage für weitere Arbeiten darstellt.de
dc.format.extent176 Seiten, 126 Bilder, 30 Tabellen
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.25593/3-87525-113-7
dc.identifier.isbn3-87525-113-7
dc.identifier.opus-id13649
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/13649
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-136490
dc.language.isode
dc.publisherMeisenbach
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.de
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 60 Technik :: 600 Technik, Technologie
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.titleEinsatzmöglichkeiten leitender Klebstoffe zur zuverlässigen Kontaktierung elektronischer Bauelemente in der SMTde
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted1998-10-12
local.notesOpusNach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
local.publisherplaceBamberg
local.sendToDnbfree*
local.series.id32
local.series.nameFertigungstechnik - Erlangen
local.series.number85
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
local.subject.gndIngenieurwissenschaften
local.subject.gndMaschinenbau
local.subject.gndProduktionstechnik
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 85
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