Weliswaar is de afgelopen tien jaar al theoretisch onderzoek gedaan naar de eigenschappen naar het alternatieve soldeertin (een legering van tin, zilver en koper), maar het is nog niet goed duidelijk wat de betrouwbaarheid en de levensduur van het nieuwe materiaal is. Vooral nu de elektronische componenten van laptops en mobiele telefoons steeds kleiner worden, is dit een belangrijk thema binnen de elektronische industrie.
Voor Müge Erinç, in 1978 geboren te Ankara, Turkije, was de vraag naar de eigenschappen van het nieuwe soldeertin interessant. Na haar studie metaalkunde aan de Middle East Technical University wilde ze graag zinvol en theoretisch interessant onderzoek doen in haar vakgebied. In 2003 kwam ze terecht aan de Technische Universiteit Eindhoven, waar ze zich in het eerste jaar van haar promotie bezighield met fundamentele eigenschappen van een soldering met het nieuwe soldeertin. Erinç: “Het materiaal werd al wel in de praktijk gebruikt, en men wist uit ervaring ook wel ongeveer wat de eigenschappen ervan waren, maar een goede theorie over de materiaalstructuur en hoe het tussen elektronische component en printplaat hecht, ontbrak.”
Metaalmoeheid
Erinç begon haar onderzoek naar de betrouwbaarheid van de soldeerverbinding door specifiek te kijken naar hoe het vloeibaar gemaakte soldeer stolt in het overgangsgebied tussen elektronische component (een chip of een weerstand) en printplaat. Ze onderzocht daartoe hoe het soldeertin onder verschillende omstandigheden hechtte aan de pootjes van elektronische componenten (de ‘soldeerbumps’) en verschillende soorten en vormen van de aanhechtingspunten op de printplaten (de ‘soldeerpads’). Ze ontdekte dat afhankelijk van de hoeveelheid soldeertin en de vorm van de bumps en de pads, er metaalmoeheid in het materiaal kan optreden.
Erinç: “Ik keek in die tijd vooral onder de microscoop naar de structuur van de soldeer op en rond breukvlakken. Je ziet dan hoe het metaal is gestold en beschadigd. Dat levert prachtige, kleurrijke plaatjes op van zeshoekige, vierkante of holle kristalstructuren. Na een jaar deze afbeeldingen bestudeerd te hebben, begreep ik pas wat ze betekenden.”
In het tweede jaar van haar onderzoek stelde Erinç de eerste modellen op waarmee ze reactie van het soldeertin op mechanische stress zou kunnen voorspellen. Erinç: “De voorspelling was nauwkeurig bij het trekken aan het materiaal, maar het model zat er helemaal naast bij de duwproeven. Dat komt omdat ik er eerst van uit was gegaan dat het metaal perfect elastisch is, maar dat is dus niet zo. Als je het een paar duizend keer heen en weer beweegt, vermoeit het materiaal en neemt de stijfheid af. Voordat ik dat goed had begrepen en die afname in formules kon vangen, was ik anderhalf jaar verder.”
Uit het onderzoek rolde een eerste groot wetenschappelijk artikel. Het werd naar een gerenommeerd tijdschrift gestuurd, maar kwam twee keer terug van een kritische referent. Erinç herinnert zich die momenten nog maar al te goed: “Hij stelde wel tien moeilijke vragen, onder meer over hoe ik de resultaten van mijn afzonderlijke experimenten met elkaar had gecombineerd. In mijn eerste reactie was ik woedend. Na een jaar heen- en weer gecorrespondeer was het nog steeds niet gepubliceerd. Maar later zag ik toch dat iemand die vanuit een heel ander perspectief naar je eigen onderzoek kijkt, je op heel waardevolle ideeën kan brengen.”
Lastige geboorte
Uiteindelijk werden alle vragen beantwoord, en kwam de publicatie tot stand. Na de lastige geboorte van het artikel liepen de laatste twee jaar van het promotieonderzoek voorspoediger. Het ging nu meer om de materiaaleigenschappen van het soldeertin. Daartoe verwarmde Erinç proefstukken herhaalde malen tot 125 graden boven nul, en liet ze vervolgens afkoelen tot 40 graden onder nul. Daarna werden deze proefstukken onderworpen aan mechanische belastingen om via metingen van de stijfheid de vermoeidheidsschade te karakteriseren. Na deze duw- en trekproeven zaten er niet alleen scheuren op het aanhechtingsvlak van soldeertin, maar er trad ook metaalmoeheid op in het soldeertin zelf. De oorzaak daarvan ligt op het niveau van de kristallen in het metaal.
Erinç: “Als je soldeertin verhit, zullen de kristallen daarin niet in alle richtingen gelijk op de toegevoerde warmte reageren: in een bepaalde richting kunnen ze wel dubbel zoveel uitzetten als in andere richtingen. Het gevolg is microscheuren in het materiaal. Dat kan uiteindelijk een defect apparaat tot gevolg hebben.”
In het laatste jaar van het onderzoek ging het vooral om de vraag wat er gebeurt als de elektronische componenten en de aanhechtingspunten van de soldeer nog kleiner worden. Erinç: “De miniaturisatie gaat nog steeds enorm hard. Inmiddels stapelt men al pootjes van acht tot tien chips op elkaar.” Erinç stelde vast dat met het kleiner worden van de soldeerpunten het probleem met de metaalmoeheid niet alleen op het grensvlak tussen elektronische component en het materiaal van de printplaat een rol speelt, maar dat er ook scheuren kunnen ontstaan in het soldeertin: “Hoe kleiner je componenten worden, hoe belangrijker het wordt dat je de microstructuur van het soldeertin kent. Op die manier kun je veel beter vorm en positie van de soldeerbumps zo kiezen, dat de krachten optimaal worden verdeeld, zodat je scheuren kunt vermijden.”
Inmiddels werkt Erinç bij TNO. Ze past haar kennis toe in onderzoek voor het bedrijfsleven. Waar ze het meeste van heeft genoten tijdens haar promotieonderzoek in Nederland? “Dat je regelmatig naar conferenties kunt gaan. Ik vind dat erg vruchtbaar: je leest artikelen van goede onderzoekers, en dan kun je op zo’n conferentie gewoon met die mensen praten. Toen ik in Turkije studeerde, was dat daar nog niet gebruikelijk. Maar inmiddels zie ik op conferenties al wat vaker Turkse collega’s.”
Dit artikel werd eerder gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2008.