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 von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456662835

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Silbersintern ist ein wichtiges Fügeverfahren in der heutigen Fertigung von leistungsfähigen elektronischen Bauteilen. Die Vorteile sind eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine hohe mechanische Festigkeit. Allerdings schränken hohe Prozessdrücke, hohe Temperaturen, lange Prozesszeiten (> 30 Minuten) und große Schwankungen in der resultierenden Festigkeit der Verbindungen den Einsatz dieses Fügeverfahrens in der Einzelchip-Montage ein. Das Projekt konzentriert sich auf die Erforschung des Einflusses von Ultraschall (US) und Legierungselementen (insbesondere Zinn) auf den Silbersinterprozess für Hochleistungselektronik. Die zentrale Arbeitshypothese lautet, dass Legierungselemente und Ultraschall die genannten Einschränkungen des klassischen Silbersinterns überwinden können. Im Laufe des Projekts wurde zunächst der Prüfstand erweitert, sodass ein Teststand mit einem halbautomatischen Pick-and-Place-System, einer optimierten Kraftregelung und einer optimierten Ultraschall-Sonotrode entstand, was prozessbedingte Schwankungen reduzierte. Darüber hinaus wurden heterogene Sinterpasten entwickelt, die das metallische Legierungselement Zinn enthalten. Der positive Einfluss des Legierungselements auf die Qualität der Verbindung wurde durch steigende Scherfestigkeiten mit zunehmendem Zinnanteil bis zu einem Optimum bei 27.5 at% bestätigt. Optimierte Prozessparameter (250 °C Prozesstemperatur, 180 s Prozesszeit, 20 MPa Prozessdruck) für Sinterprozesse ohne Einsatz von Ultraschall ermöglichten Verbindungen mit hohen Scherfestigkeiten von über 60 MPa. Durch den Einsatz von Ultraschall konnte die Prozesszeit bei gleicher Verbindungsqualität (Porosität, Scherfestigkeit, thermische und elektrische Leitfähigkeit) um den Faktor 3 auf 60 s reduziert werden, sodass eine effiziente Einzelchip-Montage realisierbar ist. Die erwartete Temperaturerhöhung durch den Einsatz von Ultraschall wurde im Fügeprozess mit speziell ausgelegten und im Haus gefertigten Dünnschichtsensoren zu max. 7 °C bestimmt. Somit kann der nachweislich positive Effekt der Ultraschallenergie nicht auf einen thermischen Effekt zurückgeführt werden kann. Schließlich wurden mit Hilfe der im Projekt gewonnenen Forschungsdaten empirische Modelle erstellt, die den Energiefluss im Fügeprozess und die Parametereinflüsse auf die Verbindungsqualität beschreiben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Investigations on Silver Sintering using an Ultrasonic Transient Liquid Phase Sintering Process. 2021 IEEE 23rd Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), 288-291. IEEE.
  Hadeler, Steffen; Seefisch, Henning; Ottermann, Rico; Long, Yangyang; Dencker, Folke; Wurz, Marc Christopher & Twiefel, Jens
  
• Influence of Microscale Tin Particles on Mechanical Properties of Silver Sintering Joints with Reduced Processing Parameters. 2023 IEEE 73rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 676-681. IEEE.
  Hadeler, Steffen; Long, Yangyang; Ottermann, Rico; Dencker, Folke; Twiefel, Jens & Wurz, Marc Christopher
  
• Measurement of the Ultrasound Induced Temperature Change in an Ultrasonic Assisted Silver Sintering Process. 2023 IEEE SENSORS, 1-4. IEEE.
  Hadeler, Steffen; Long, Yangyang; Twiefel, Jens & Wurz, Marc Christopher