Levensduurverlenging voor elektronica

Vanuit het Perspectief-programma van de NWO wordt met het onderzoeksproject Circular Circuits circulaire elektronica ontwikkeld die langer mee gaat. In dit onderzoek zijn 4 onderzoekers bezig op levensduurverlenging. De eerste onderzoeksresultaten zijn al geboekt.

Een van de zwakste schakels in vermogenselektronica zijn de verbindingspunten (of interconnecties) die de halfgeleiderchip verbindt met de printplaat. Ze zijn vaak de eerste onderdelen die los raken, vaak met het defect van het hele apparaat als gevolg. De interconnecties waren op lood gebaseerd: robuust en gemak in gebruik, maar ook giftig en milieubelastend. De zoektocht naar een nieuw materiaal is nogal uitdagend: ze moeten niet alleen net zo goed als lood zijn, maar ook tegen hogere spanningen en temperaturen (soms tot wel 300 °C) kunnen. In de zoektocht van onderzoeker Fatin Battal wordt een op nanostructuren gebaseerde metallisatie voor verbindingen ontwikkeld, die vaak onder gunstige omstandigheden wordt verwerkt en compatibel zijn met bestaande productielijnen.

Een ander probleem met microchips is de holtevorming in koper-tin-verbindingen. Tin wordt gebruikt om twee koperen verbindingen te solderen. Hierbij vormt zich een dunne laag van een mix van koper en tin dat het intermetallisch gebied wordt genoemd. Bij verkoperde onderdeeltjes kan er een laagje met holtes ontstaan tussen het intermetallische gebied en het koper laagje van het verkoperde onderdeeltje. Dat is een probleem: de holtes verminderen de sterkte van de verbindingen totdat het zelf loslaat. De holtes ontstaan voornamelijk door onzuiverheden in het koper van het verkoperde onderdeeltje, die weer door organische additieven in het verkoperingsproces ontstaan. Het onderzoek van Jasper Coppen richt zich op het volledig begrijpen van dit fenomeen, om zo kennis te ontwikkelen om de holtes te voorkomen. Hierbij bootst hij verschillende industriële productietechnieken in het laboratorium na.

Vocht en halogeenionen verminderen de levensduur van elektronica door zoal corrosie van draadverbindingen in geïntegreerde schakelingen (IC’s), lekstromen als gevolg van vocht, en delaminatie in printplaten (PCB’s) en IC’s. Om deze problemen te verminderen, onderzoekt Michiel Brebels de diffusie van vocht en ionen in epoxymatrices van IC-omhulsels en PCB’s. Michiel gebruikte hierbij magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), omdat huidige methoden vochtdiffusie juist tussen epoxy- en glasvezellagen niet in beeld brengen. Door verkregen data te correleren met mechanische en elektrische degradatie, wordt getracht betere voorspellingsmodellen en materiaalontwerpen voor vochtbestendige elektronica te ontwikkelen. Tevens kan met meer inzicht van stroming van ionen door PCB’s corrosie worden voorkomen.

Bij elektronica kunnen soldeerverbindingen loslaten door vermoeidheid als gevolg van temperatuurschommelingen. Om te voorspellen hoeveel een soldeerverbinding kan hebben worden er  experimentele en simulatietechnieken ingezet. Experimentele technieken kosten echter veel tijd en energie. Simulaties zijn sneller maar hebben nog steeds veel rekenkracht nodig en kunnen maar één situatie per keer doorrekenen. Kunstmatige intelligentie (AI)-technologieën kan hier uitkomst bieden. Sjoerd de Jong ontwikkelt AI-model om vervorming en dus de levensduur van soldeerverbindingen te voorspellen. Het is nauwkeuriger dan andere AI-modellen, met een aanzienlijk kleinere dataset. Er zijn minder middelen en tijd nodig om een dataset aan te maken. Voorspellingen met een goede nauwkeurigheid duren slechts enkele seconden met dit AI-model. Hiermee kunnen betrouwbaardere soldeerverbindingen sneller worden ontwikkeld.

Betrokkenen:

• Fatin Battal, PhD Candidate, Applied Materials Research Group, Radboud University
• Jasper Coppen, PhD Candidate, Materials Science and Engineering, Delft University of Technology
• Michiel Brebels, PhD Candidate, Department of Applied Physics and Science Education, Eindhoven University of Technology
• Sjoerd de Jong, PhD Candidate, , Delft University of Technology
• Jan-Henk Welink (ed.), Materials Science and Engineering, Delft University of Technology