(Phys.org)—Wetenschappers van het directoraat Geavanceerde materialen en nanosystemen van het Lockheed Martin Space Systems Advanced Technology Center (ATC) in Palo Alto hebben een revolutionair op koper gebaseerd elektrisch verbindingsmateriaal op nanotechnologie ontwikkeld, of soldeer, die rond 200 °C kan worden verwerkt. Eenmaal volledig geoptimaliseerd, het CuantumFuse-soldeermateriaal zal naar verwachting verbindingen produceren met tot 10 keer de elektrische en thermische geleidbaarheid in vergelijking met op tin gebaseerde materialen die momenteel worden gebruikt. Toepassingen in militaire en commerciële systemen worden momenteel overwogen.

"We zijn enorm enthousiast over onze CuantumFuse-doorbraak, en zijn erg blij met de vooruitgang die we boeken om het tot volle wasdom te brengen, " zei dr. Kenneth Washington, vice-voorzitter van de ATC. "We zijn trots op het leveren van innovaties zoals CuantumFuse voor ruimte- en defensietoepassingen, maar in dit geval zijn we enthousiast over het enorme potentieel van CuantumFuse in defensie- en commerciële productietoepassingen."

Vroeger, bijna alle soldeer bevatte lood, maar er is nu dringend behoefte aan loodvrij soldeer vanwege een wereldwijde inspanning om gevaarlijke stoffen in elektronica geleidelijk uit te bannen. De Europese Unie voerde in 2006 loodvrij soldeer in. De staat Californië deed dit op 1 januari. 2007, kort daarna gevolgd door New Jersey en New York City.

De belangrijkste loodvrije vervanging – een combinatie van tin, zilver en koper (Sn/Ag/Cu) – is acceptabel gebleken voor de consumentenelektronica-industrie die zich voornamelijk bezighoudt met korte productlevenscycli en relatief goedaardige bedrijfsomgevingen. Echter, er zijn meerdere problemen gerezen:hoge verwerkingstemperaturen leiden tot hogere kosten, het hoge tingehalte kan leiden tot tinnen snorharen die kortsluiting kunnen veroorzaken, en breuken komen vaak voor in uitdagende omgevingen, waardoor het moeilijk is om de betrouwbaarheid te kwantificeren. Deze betrouwbaarheidsproblemen zijn met name acuut in systemen voor het leger, ruimtevaart, medisch, olie en gas, en auto-industrie. Bij dergelijke toepassingen lange levensduur en robuustheid van componenten zijn cruciaal, waar trillingen, schok, thermische fietsen, vochtigheid, en gebruik bij extreme temperaturen kan veel voorkomen.

"Om deze zorgen weg te nemen, we realiseerden ons dat er een fundamenteel nieuwe aanpak nodig was om de loodvrije soldeeruitdaging op te lossen, " zei Dr. Alfred Zinn, materiaalwetenschapper bij de ATC en uitvinder van CuantumFuse-soldeer. "In plaats van een andere meercomponentenlegering te vinden, ons team bedacht een oplossing op basis van de bekende smeltpuntverlaging van materialen in nanodeeltjesvorm. Gezien dit fenomeen op nanoschaal, we hebben een soldeerpasta gemaakt op basis van puur koper."

Bij de ontwikkeling van de CuantumFuse-soldeerpasta is rekening gehouden met een aantal vereisten, waaronder:maar niet beperkt tot:1) voldoende kleine nanodeeltjesgrootte, 2) een redelijke maatverdeling, 3) reactieschaalbaarheid, 4) goedkope synthese, 5) oxidatie- en groeiweerstand bij omgevingscondities, en 6) robuuste deeltjesfusie bij blootstelling aan verhoogde temperatuur. Er is gekozen voor koper omdat het al in de elektronica-industrie wordt gebruikt als spoor, onderling verbinden, en padmateriaal, compatibiliteitsproblemen te minimaliseren. Het is goedkoop (1/4e van de prijs van tin; 1/100e van de prijs van zilver, en 1/10, 000ste die van goud), overvloedig, en heeft 10 keer de elektrische en thermische geleidbaarheid in vergelijking met commercieel op tin gebaseerd soldeer.

De ATC heeft CuantumFuse gedemonstreerd met de montage van een klein testcamerabord. "Deze prestaties zijn buitengewoon opwindend en veelbelovend, maar we moeten nog een aantal technische uitdagingen oplossen voordat CuantumFuse klaar zal zijn voor routinematig gebruik in militaire en commerciële toepassingen, " zei Mike Beck, directeur van de groep Advanced Materials and Nanosystems bij de ATC. "Om deze uitdagingen op te lossen, zoals het verbeteren van de hechtsterkte, is de focus op het lopende onderzoek en de ontwikkeling van de groep."