Untersuchung der Wirkmechanismen beim ultraschallunterstützten einkomponentigen und mehrkomponentigen Silberverbindungssintern zur Montage von leistungselektronischen Bauelementen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Twiefel; Professor Dr.-Ing. Marc Christopher Wurz
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456662835

Die heutigen Anforderungen an Leistungselektronik sind besonders durch die E Mobilität stark gestiegen, sodass die Verbindungseigenschaften von bewährten Verfahren wie z.B. Löt- oder Klebeverfahren nicht mehr zukünftigen Anforderungen genügen. Besonders die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die erhöhten Prozesstemperaturen stellen Herausforderungen dar. Aufgrund dessen gewann das Silberverbindungssintern in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Hierbei werden ein Substrat und ein Chip durch eine gesinterte Zwischenschicht aus Silber verbunden. Im Vergleich zu traditionellen Verbindungen sind die Eigenschaften der Silbersinterverbindung um ein Vielfaches besser. Warum wird dieses Verfahren noch nicht flächendeckend eingesetzt? Der Grund ist die Höhe von Druck und Temperatur, die für den Prozess notwendig ist. Die Prozesszeiten sind deutlich länger als bei anderen Verfahren, sodass aktuell nur ein Batchprozess wirtschaftlich ist; dieser führt aber zu ungleichmäßigen Verbindungsqualitäten. Hier setzt unser Forschungsvorhaben an. Wir konnten zeigen, dass in der Einzelchipmontage das Einbringen von Ultraschall in die Verbindungsschicht einen signifikant positiven Effekt auf die Verbindungsbildung hat, sodass dadurch die Prozesstemperatur, der -druck, sowie die -zeiten reduziert wurden. Ergänzend wurde der Prozess um Legierungspartner zu einem neuartigen mehrkomponentigen, ultraschallunterstützten Prozess erweitert, der hier als Ultrasonic Transient Liquid Phase Sintering (UTLPS) bezeichnet wird. Auch hier konnten wir erste positive Effekte zeigen. Die Leitfragen für dieses Forschungsvorhaben sind: Welche Mechanismen wirken bei der Verwendung von Ultraschall positiv auf die Verbindungsbildung? Wird der Diffusionsprozess durch Ultraschall analog zum Drahtbonden beschleunigt? Hierfür werden zunächst mikro- und nanoskalige Sinterpasten entwickelt. Anschließend erfolgt die experimentelle Untersuchung der Parametereinflüsse auf die Verbindungs¬qualität, um eine Trennung von den Ultraschalleinflussparametern zu ermöglichen. Dies sind vor allem die Schwingungsamplitude, die Leistung und die Dauer des Ultraschalls. Nachdem die optimale Ultra¬schall¬richtung (horizontal oder vertikal) festgestellt wurde, wird das Zeitprofil des Prozesses analysiert. Zur Bewertung der Verbindungen werden die Porosität und die mechanische Festigkeit untersucht und mit anderen Analysemethoden ergänzt. Die Untersuchungen werden an passiven Testchips sowie an aktiven Bauteilen (Diode, IGBT, NTC) durchgeführt. Hier wird der Ultraschalleinfluss auf die Verbindungsqualität und die Haltbarkeit sowie eventuelle Schädigungen an den Komponenten untersucht. Das Forschungsvorhaben wird mit der modellbasierten Beschreibung der Wirkmechanismen des ultraschallunterstützen Silberverbindungssintern abgeschlossen. Durch die Beantwortung der Leitfragen wird das Silberverbindungssintern deutlich verbessert. Dadurch wird die Verbindungstechnik für viele weitere Anwendungen geöffnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Jörg Wallaschek