Struktur und Eigenschaften isotrop leitfähiger Kleber

Abstract

Isotrop leitfähige Kleber (ICA) stellen eine vielversprechende Alternative zum Löten für die Bauteilmontage in der Baugruppenfertigung dar. Einem breiten Einsatz dieser Kleber als Lotersatz steht bisher vor allem die Instabilität des Verbindungswiderstandes entgegen, welche insbesondere bei einer beschleunigten Alterung durch erhöhte Temperatur und Luftfeuchte beobachtet werden kann.<br />Die Zuverlässigkeit einer solchen Verbindung vorherzusagen, ist auf Grund des komplexen mechanischen Aufbaus sehr schwierig. Die elektrische Verbindung erfolgt über eine Vielzahl von zufällig angeordneten und geformten Metallpartikeln, die in einer Polymermatrix eingebettet sind.<br />Ziel dieser Arbeit ist es, tiefere Einblicke in das Zusammenspiel der die Leitfähigkeit der Verbindung erzeugenden Partikel zu gewinnen.<br />Hierfür werden acht ausgewählte Kleber einer Zuverlässigkeitsuntersuchung unterzogen. Die Stabilität extern messbarer Kenngrößen (elektrischer Widerstand und mechanische Abscherfestigkeit) wird während einer 1000 h dauernden beschleunigten Alterung bei 85°C und 85% relative Feuchte beobachtet.<br />Diese Untersuchung zeigt, dass bei den acht ausgewählten isotrop leitfähigen Klebern große Unterschiede in der Stabilität der beobachteten Kenngrößen vorliegen. Bei den meisten Klebern kommt es während der beschleunigten Alterung zu einem kontinuierlichen Ansteigen des elektrischen Widerstandes. Jedoch kann bei manchen Klebern das gegenteilige Verhalten beobachtet werden, also eine stetige Abnahme der Widerstandes bis zum Ende der Untersuchung. Daneben zeigt sich vereinzelt auch ein schlagartiges Abnehmen des Widerstandes einer Klebeverbindung während der elektrischen Messung. Es treten also verschiedene komplexe Veränderungen innerhalb der Klebeverbindung auf, welche die Eigenschaften dieser Verbindung beeinflussen.<br />Es wird im Rahmen dieser Arbeit eine numerische Simulation einer mit isotrop leitfähigem Kleber hergestellten Verbindung entwickelt, um extern messbare Größen in Abhängigkeit der geometrischen und elektrischen Partikelparameter nachzubilden. Die Simulation berechnet die elektrische Gleichstromleitfähigkeit zwischen den Rändern eines zweidimensionalen Modellgebiets, welches aus einer nicht leitfähigen Fläche besteht, innerhalb der sich die leitfähigen Partikel verteilen.<br />Als Partikelform wird die Ellipse gewählt. Um eine möglichst wirklichkeitsnahe Anordnung der Partikel zu erhalten, wird neben der elektrischen Leitfähigkeit auch die Anordnung der Partikel simuliert.<br />Mit Hilfe des entwickelten Simulationswerkzeuges werden zwei unterschiedliche Eigenschaften untersucht. Zunächst wird die Wahrscheinlichkeit einer Verbindung in Abhängigkeit des Flächenfüllanteils betrachtet. Dabei werden die Partikelgröße, das Achsverhältnis der Partikel und die Partikelorientierung variiert.<br />Zusätzlich wird das Konzept des ausgeschlossenen Volumens bzw. der ausgeschlossenen Fläche auf Basis der Perkolationstheorie vorgestellt.<br />Für die praktische Anwendbarkeit eines isotrop leitfähigen Klebers ist allerdings nicht nur die Perkolationswahrscheinlichkeit relevant, sondern auch die Höhe des Verbindungswiderstandes und dessen Abhängigkeit von den elektrischen Materialparametern. Als weitere Eigenschaft wird daher der Verbindungswiderstand als Funktion des Flächenfüllanteil analysiert. Ziel dieser Simulation ist es, ein tiefergehendes Wissen über die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit einer Verbindung von den Eigenschaften der leitfähigen Partikel zu gewinnen.<br />

Isotropically conductive adhesives (ICA) are a promising lead-free alternative to soldering in surface mount technology. However, for some specific application ICAs still possess a number of problems in the areas of mechanical and electrical durability. In this work 8 different isotropic conductive adhesives (ICAs) for solder replacement are investigated concerning the behavior of the contact resistance and the shear force during a forced aging process. For this purpose, test boards with equal design but different surface finishes were fabricated.<br />The test boards were assembled with SMD resistors with a (lead-free) galvanic tin surface. The contact resistance was measured using a four point method immediately after curing, and during a period of 1000 hours of forced aging under elevated temperature and humidity (85°C / 85% r.h.). The results of this investigation show that some of the selected adhesives have an essentially improved stability of contact resistance compared to former products.<br />ICAs are a composite material consisting of a nonconductive polymer binder and conductive particles. When the filler content is high enough the non conductive binder is transformed into a good electrical conductor. This transition can be described by the percolation theory.<br />The percolation theory is a branch of probability theory dealing with the properties of randomly distributed media in general. Using the percolation theory it is possible to show principle influences on the properties of ICAs depending on the geometric properties of the particles. But in order to get a deeper understanding of the processes inside a conductive adhesive joint additional influencing factors have to be considered. Such factors are the electrical conductance of the bulk material of the particles, the contact resistance between the particles, and the particles and the pads, the influence of surface films on the contact resistance, the mechanical force between the particles, and the effects of oxidation and galvanic corrosion on the electric resistance of the joint.<br />A two dimensional model is presented to analyze the principle influences of the geometrical and electrical properties of the particles on the percolation threshold and the electrical resistance of a modeled joint.<br />With this model the arrangement of the particles within a contact is calculated by considering different types of forces (elastic, friction, adhesion, and inertia). Taking into account the electrical properties of the particles, in turn, the electrical contact behavior is investigated.<br />The goal of this work is to provide a deeper understanding of the changes of the macroscopic contact behavior due to different environmental impacts.<br />