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

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
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Es wurden zwei Strategien zur Verbesserung der Verbindungsbildung von Fügematerialien für die Chipanbringung in der Mikroelektronik untersucht. Die Verbindungsbildung durch Kupfer-Sintern, welches im Rahmen der Aufbau und Verbindungstechnik in der Mikroelektronik auf einen Parameterraum von ≤ 300 °C; ≤ 40 MPa und ≤ 15 min beschränkt wird, konnte mithilfe von Beimengungen eines komplexierten Kupfersalzes stark beschleunigt werden und die nötige Prozesstemperatur konnte von 275 °C auf 250 °C gesenkt werden. Der Ansatz trägt zur Verbesserung der Fügematerialien bei, was sich z.B. in geringerem Ressourcenverbrauch (niedrigere Prozesstemperaturen, kürzere Prozesszeiten) zeigt. Die zweite Strategie, die Vorbehandlung der Partikel per selektivem Ätzen, um die Oberflächenenergie zu erhöhen, ermöglichte ebenfalls eine starke Beschleunigung der Verbindungsbildung; allerdings führten Agglomeration und Chlorid-Rückstände als Nebeneffekt dazu, dass dieser Ansatz noch nicht für den industriellen Einsatz geeignet ist, sondern noch weiterentwickelt werden muss. Es wurden bisher nicht beschriebene Strukturen in der Ebene der Verbindungsschicht (im Gegensatz zu sonst üblichen Querschliffen) durch einen neuartigen Versuchsaufbau, nämlich den Chip nach dem Sintern zu entfernen, offengelegt und untersucht. Damit konnte erstmals durch einen Scratch-Test direkt die Kohäsionsfestigkeit verschiedener Schichtbereiche bestimmt werden. Zusätzlich konnte die Wärmeverteilung in Schichten mit solcher Struktur mittels Lock-In Thermographie ermittelt werden. Über die transiente thermische Analyse konnte der thermische Widerstand des Interfaces und über die mittels µ-Raman-Spektroskopien detektierte Verspannung der Bauteile mechanische Eigenschaften des Interfaces bestimmt werden. Diese spezifischen Eigenschaften der Kupfer Verbindungsschichten werden durch Lückenporen hervorgerufen, welche als charakteristisch für die Mikrostruktur gesinterter Flakepartikel erkannt wurden. Diese Poren konnten durch verbesserte Vermessungsmethoden (Segmentierung der Poren über einen Zirkularitätsschwellwert, sowie statistische Auswertung von Mappings der sogenannten Lokalen Dicke) präzise beschrieben werden, wobei festgestellt wurde, dass ihr Ausmaß durch den Prozessdruck bestimmt wird und sich auch mit längerer Sinterdauer nicht wesentlich ändert, wohingegen kleine rundere Poren wachsen und so Oberflächenenergie abbauen, was dem typischen Sinterverhalten entspricht. Die Porencluster bildeten Bereiche mit verringerter Kohäsionsfestigkeit und kaum verringerter thermischer Leitfähigkeit, wobei die stoffschlüssige Verbindung insgesamt trotzdem sehr gut war, was sich in hohen Scherfestigkeiten von 50 -  60 MPa zeigte. Damit sind die Sinterpasten auf Basis von Kupferflakes mit und ohne Zusatz von Kupfersalzen für die Anwendung als Fügematerial für die Chipanbringung prinzipiell geeignet.

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