Leistungsmodule werden vielfach zur Herstellung von Green Energy- und e-Mobility-Anwendungen benötigt. Der Schlüssel für kostenreduzierte, leistungssteigernde Halbleiterkomponenten ist dabei die Aufbau- und Verbindungstechnik. Nun wurde eine Technologie rund um das Sintern mit Silber- und Kupfersinterpaste entwickelt.
Dabei ist die Tresky GmbH, deutscher Spezialist für das DIE-Bonden, eine Kooperation mit dem CEO und Gründer von Bond Pulse, Dr. Aaron Hutzler eingegangen. Das Silbersintern habe sich laut Dr. Hutzler speziell bei Automotive-Anwendungen für die Anbindung von Leistungshalbleitern an Schaltungsträger und für die Anbindung von Substraten an Kühlkörper etabliert. Allerdings seien inzwischen neu entwickelte und deutlich günstigere Kupfersinterpasten erhältlich, die eine identische Performance böten.
Das Sintern erfordert einen spezifischen Technologiemix, wobei beim Einsatz der verschiedenen Prozesse folgende Aspekte zu berücksichtigen sind: die gesamten Material- und Montagekosten, die thermische Leistung unter Berücksichtigung von Kühlungsaufwand und Wirkungsgrad, thermomechanische Eigenschaften wie Lebensdauer und Zuverlässigkeit und schließlich elektrische Eigenschaften wie die Betriebstemperatur und die Integrationsdichte. Daraus lassen sich diverse Möglichkeiten ableiten, um Kosten zu reduzieren. So können sich ein gesenkter Wärmewiderstand, eine bei hoher Zuverlässigkeit maximal vertretbar erhöhte Temperatur und eine höhere Leistung pro Chip positiv auf die Gesamtkostenrechnung auswirken. „Alle Maßnahmen lassen sich unter Berücksichtigung der Aufbau- und Verbindungstechnik und mit druckunterstütztem Sintern umsetzen“, führt Aaron Hutzler weiter aus. „Die steigende Nachfrage nach Green Energy- und e-Mobility-Anwendungen machen es erforderlich, darüber nachzudenken, wie sich Kosten reduzieren lassen. Tut man das nicht, werden diese Technologien weder massentauglich, noch werden sie ökologischen Vorgaben entsprechen können“, ergänzt Daniel Schultze, Geschäftsführer und Inhaber von Tresky.
Hohe Zuverlässigkeit bei 20-fach verbesserter Temperaturwechselfestigkeit
Schultze und sein Team haben sich daher verstärkt mit den Prozessschritten vor dem eigentlichen Sintern in einer Presse beschäftigt. Diese Pre-Sinter-Schritte, bei denen die Sinterpaste sequentiell aufgetragen und der Halbleiter oder das Substrate gesetzt werden, sind entscheidend für die Qualität und Zuverlässigkeit der Sinterverbindung. Das Drucksintern von Leistungshalbleitern auf Substraten, Grundplatten und Kühlkörpern bietet laut Schultze im Vergleich zu Weichlöten einen deutlichen Performance-Gewinn. So lasse sich anhand der Kupfersinterpaste eine hohe Zuverlässigkeit bei 20-fach verbesserter Temperaturwechselfestigkeit, auch als Power Cycling benannt, im Vergleich zu SAC-Lot erzielen. Die von Tresky eingesetzte SQ-Nozzle erlaubt zudem einen noch schnelleren und präziseren Auftrag großflächiger Depots, mit den Abmessungen >10x10mm. Die Sinterpaste lässt sich so in definierte Menge breit auf das Substrat dispensen.
Ferner zeichnen sich die Sinterpasten durch Vorteile wie eine geringere CTE-Fehlanpassung, eine geringere Kriechermüdung als auch einen im Vergleich zu Loten niedrigeren thermischen Widerstand und Ausdehnungskoeffizient aus. Ein weiterer Pluspunkt ist die Kriechfestigkeit. Außerdem ist die Streckgrenze von Verbindungen, die mittels Silbersinterpaste hergestellt wurden, im Vergleich zu Weichloten mit 30 MPa bei SAC-Loten und 120 MPa bei gesinterten Silberpasten ebenfalls wesentlich höher. Dadurch lässt sich bei Temperaturwechseltests eine bis zu 20-fach höhere Lebensdauer erzielen.
Da sich sowohl Silber- als auch Kupfersinterpasten überdies durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit auszeichnen, ermöglichen sie eine dünnere Dicke der Schichtdicke (Bondline Thickness BLT) bei gleichzeitig höheren Anwendungstemperaturen der Halbleiter. Dies lässt sich auch am höheren Schmelzpunkt der Sinterpasten verdeutlichen, der 961 °C anstatt 220 °C wie beim SAC-Lot beträgt. Weil die thermische Leitfähigkeit ebenso wie die elektrische Leitfähigkeit von Silber- und Kupfersinterpasten im Vergleich zu Weichloten um das drei- und vierfache höher ist, ist eine hervorragende elektrische Leistung gegeben.
Erhöhte Materialkosten
Aaron Hutzler erläutert, dass die Materialkosten für das Silbersintern im Vergleich zum Weichlot um das 10- bis 20-fache höher sind. Ferner seien auch die Kosten für SiC- zu Si-Halbleiter hoch. Beim Sintern sei deshalb die Produktionsausbeute ein entscheidender Faktor. Hutzler und Schultze erwarten für die kostenreduzierte, kupferbasierte Sinterpaste eine steigende Nachfrage. Zeitgleich weisen sie auf die für den eigentlichen Sinterprozess erforderlichen Vorprozesse hin, da bei diesem Verfahren die flüssige Phase fehlt. Im Gegensatz zum Lötprozess bleiben in der Sinterschicht die während des Platzierens von Bauteilen oder des Dispensens der Sinterpaste auftretenden Probleme und Abweichungen erhalten. Metall schmilzt schließlich während des eigentlichen Sinterprozesses nicht. Vielmehr sintert es nur, um die Oberflächenenergie zu verringern. Die flüssige Phase des Lötens könne jedoch in manchen Fällen für die Selbstausrichtung und den Ausgleich von Toleranzen vorteilhaft sein, erläutert Schultze. Da dies beim Sintern nicht der Fall ist, seien die Vorprozesse äußerst wichtig.
Ein weiterer, zunehmend wichtiger Prozess ist das Aufnehmen und Platzieren der Komponenten. So erfolgt bei Anwendungen mit gesinterten Matrizen eine Heißanheftung, auch Hot-Tacking genannt. Diese hat zum Ziel, während des Transports von der Pick&Place-Maschine in die Sinterpresse jegliche Bewegung der Bauteile zu unterbinden. Damit unterscheidet sich der auch Heiß-Pick&Place genannte Prozess vom Standard-Sinterprozess mit vorgetrockneter und somit nicht mehr klebriger Sinterpaste. Schultze führt aus: „Wird ein Halbleiter auf die getrocknete Paste gelegt, kann sich dieser während des Transports von der Pick&Place-Maschine zur Sintermaschine bewegen, insbesondere dann, wenn der Halbleiter mit einer Teflon-Schutzfolie überzogen wurde.“ Des Weiteren ist für das Heißbestücken von Halbleitern ein Anpressdruck von bis zu 1 MPa erforderlich. Bei einer 15x15mm Chipgröße ist eine Platzierungskraft von 22 kg notwendig, wobei Tresky Kräfte bis zu 30 kg aufbringen kann. Überdies ist sowohl das Substrat als auch die Matrize auf ~130 °C aufzuheizen. Hierfür bietet Tresky eine Tool-Bondheizung an, mit der sich Temperaturen von bis zu 400°C erzielen lassen. Mittels einer Heizplatte lässt sich das Substrat auch auf bis 450°C erhitzen.
Doch Hutzler weist darauf hin, dass das Hot-Pick&Place-Verfahren zwar eine gängige Methode zur Platzierung von Halbleitern für die Sinterung ist, leider aber bei der Erhitzung des Substrats Oxidation auf dem blanken Cu-Oberfläche des Bauteils entstehen können. Diese Oxidationen lassen sich vermeiden, indem das Bestücken bei Raumtemperatur durchgeführt wird. In diesem Fall ist dann eine Fixierung des Bauteils in der Sinterpaste notwendig, um die genaue Positionierung auf dem Transportweg zum nächste Bearbeitungsprozess zu gewährleisten. Daher werden die Chips üblicherweise mit einem Haftvermittler, auch Tacking-Agent genannt, versehen. Der Haftmittel sorgt für eine Fixierung, bis die Substrate in der Sinterpresse vorgewärmt werden. Bei ca. 150 °C verdampft das Haftmittel rückstandsfrei. „Mit Haftvermittlern lässt sich das zur Fixierung der Halbleiter vor dem Sintern erforderliche Anpressen und Erhitzen der Chips im Bestückungsprozess vermeiden“, hebt Schultze abschließend hervor. Zur Bauteilfixierung werden vor dem Platzieren des Chips vier Dispenspunkte gesetzt, die das Fixieren übernehmen. Dies wirke sich vorteilhaft auf die Time to Market aus, da sich somit sowohl Entwicklungs- als auch Serienfertigungen schnell und zuverlässig umsetzen lassen.
