Kupfer-Sintern mit nano-strukturierten Partikeln und Formiat-Dissoziation

• Antragsteller: Professor Gordon Elger, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Martin Schneider-Ramelow
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496149269

Im Kontext der Chipmontage in der Mikroelektronik sollen zwei wissenschaftliche Schwerpunkte erforscht und modellhaft beschrieben werden: (1) Die Erzeugung und Charakterisierung sinterfähiger Kupferpartikel und die Realisierung von Sinterpasten mit komplexiertem Kupferformiat und (2) die Verbindungsbildung mit diesen neuartigen, unter (1) dargestellten Kupferpasten.Durch selektives Ätzen der Oberfläche von Kupferpartikeln und durch in-situ Erzeugung von Kupfer Nanopartikeln über thermische Zersetzung von komplexierten Metallsalzen kann die Oberflächendiffusion beim Sintern verstärkt und damit bei vergleichsweise niedrigen Prozessparametern in kurzer Zeit ermöglicht werden. Bekanntermaßen wird der notwendige Materialtransport für das Sintern verstärkt, wenn die spezifische Oberfläche vergrößert wird. (1) Der angestrebte Erkenntnisgewinn zur Realisierung von sinterfähigen Kupferpasten lässt sich in folgende zwei Ansätze unterteilen:(a) Wie führt der selektive Ätzangriff auf Kupfer- und legierte Partikel zu einer bestimmten Oberflächenstruktur und welchen Einfluss haben die Parameter (Säurekonzentration, Dauer, Größe und Gefüge der Partikel) auf die Ausbildung der Strukturmerkmale? Die Zielgröße ist eine möglichst große spezifische Oberfläche.(b) Es sollen die Vorgänge bei der Zersetzung von Kupfer(II)-Formiat unter dem Einfluss verschiedener chemischer Umgebung und die Bildung von Kupfernanopartikeln in Abhängigkeit von den Sinterprozessparametern beschrieben werden. Damit soll die zentrale Arbeitshypothese validiert werden: Das atomare Kupfer, das durch die Zersetzung des Kupfermetallkomplexes bei niedriger Temperatur (≤ 200 °C) entsteht und sich an den Kontaktstellen anlagert oder kleine Kupfernanopartikel ausbildet (10-100 nm), fördert auf Grund der Erhöhung der Kontaktflächen die Bildung von Sinterhälsen und beschleunigt damit den Sintervorgang. Hierdurch können die Prozessgrößen entscheidend reduziert werden (t < 15 min, T < 250 °C).(2) Zum Verständnis der Verbindungsbildung mit den neuartigen, bei (1) dargestellten Kupferpartikeln durch eine zusammenhängende Sinterstruktur, muss die Wirkung der Einflussfaktoren wie Temperatur, Zeit, Druck und chemischer Umgebung auf die neuartigen nanostrukturierten- und auf die in-situ gebildeten Kupferpartikel erforscht werden. Der Einfluss der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche von den in (1) dargestellten Partikeln auf die Phasen des Sinterprozesses, sowie die Entwicklung der nanostrukturierten Oberflächen, soll modellhaft dargestellt werden. Die materialwissenschaftlichen Zielgrößen für die Sinterverbindung sind hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit (> 50% der Kupfer-Bulk Werte), niedrige Porosität (< 20%), hohe Scherfestigkeit (> 60 MPa) und hohe Ermüdungsfestigkeit (> 1000 Temperaturwechsel bei 55 °C/200 °C), welche bei geringen Prozessparameterwerten (≤ 275 °C; ≤ 10 MPa; ≤ 15 min) erreicht werden sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen