Modifizierte Silber- und Kupfer-Nanopasten für prozesstechnisch druckloses Nanofügen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Susann Hausner
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496163747

Den Ausgangspunkt des Vorhabens bilden die besonderen Eigenschaften nanoskaliger Materialien, die sich technisch vorteilhaft für einen Fügeprozess, das sogenannte Nanofügen, ausnutzen lassen. Hierfür kommen Nanopartikel (NP) zum Einsatz, die typischerweise Außenmaße kleiner 100 nm aufweisen. Für Fügeprozesse sind NP aufgrund ihrer abgesenkten Sinter- und Schmelztemperatur gegenüber makroskopischem Massivmaterial von Interesse, die sich physikalisch aus dem großen Anteil der Oberflächenatome im Vergleich zu den Volumenatomen ergibt. Dieser Effekt bietet die Möglichkeit, metallische Nanopartikel als Zusatzwerkstoff (meist in Form einer Paste) für Fügeprozesse bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zu nutzen. Mit der im Fügevorgang stattfindenden stofflichen Vereinigung der NP gehen deren Eigenschaften zu denen des Massivmaterials über und bilden eine Fügenaht, die die Schmelztemperatur des ursprünglichen Materials aufweist. Diese Kombination aus niedrigen Prozesstemperaturen und gleichzeitig hohen Einsatztemperaturen der so hergestellten Verbindungen stellt einen wichtigen Vorteil zu ähnlichen Verfahren dar, wie z. B. dem Löten. Aufgrund dieser Vorteile hat sich das Nanofügen vor allem im Bereich der Leistungs- und Mikroelektronik etabliert, sodass sich dort bereits seit einiger Zeit Silber-NP und Kupfer-NP als Alternative zu konventionellen Weichloten etabliert haben. Im Gegensatz zum konventionellen Weichlöten besteht ein Nachteil des Nanofügens allerdings darin, dass zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften, also zuverlässige thermisch-elektrische Leitfähigkeit und ausreichende Verbindungsfestigkeit, ein Fügedruck aufgebracht und während des Fügeprozesses gehalten werden muss. Erst durch Pressung der Nanopartikel entsteht eine dicht gesinterte Fügenaht bzw. eine gute Anbindung zu den Fügeflächen, die im Betrieb auftretenden Einwirkungen standhält. Allerdings führt die Notwendigkeit eines Fügedruckes zu einigen Nachteilen, wie einer komplizierteren Anlagentechnik bzw. Prozessführung, Einschränkungen bei Bauteilgeometrien und mechanischen Belastung der Komponenten im Fügeprozess, die zum Bruch der dünnen Silizium-Chip-Dies führen kann. An dieser Stelle setzt das Vorhaben an und baut dabei auf Erkenntnisse des Vorgängerprojektes auf. Der Lösungsansatz besteht darin, die Nanopasten mit einer niedrigschmelzenden Komponente zu modifizieren, um einen drucklosen Fügeprozess zu ermöglichen. Dieses Konzept wird auf die Elektronikbereich zum Fügen von Chip-Komponenten verwendeten Silber- und Kupfernanopasten angewendet. Dafür wird eine reine, kommerzielle Ag- und Cu-Nanopaste als Ausgangspunkt genutzt und entsprechend modifiziert. Mit den so hergestellten Pasten werden Proben gefügt und umfangreich untersucht und charakterisiert, wie beispielsweise durch Thermal Cycling Tests, Mikrostruktur sowie auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen