Ultraschallunterstütztes Sintern von Leistungselektronikbauteilen in Umgebungsatmosphäre auf Kupferoberflächen unter Verwendung von oxidationsgeschützten Silber-Kupferpasten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Twiefel; Professor Dr.-Ing. Marc Christopher Wurz
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546457721

Leistungselektrische Komponenten sind von großer Bedeutung für die laufende Transformation von Industrie, Mobilität und Energie. Diese Anwendungen definieren die Anforderungen an zukünftige Leistungsmodule. Dazu gehört eine hohe Robustheit auch in rauen Umgebungen und insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen. Die Verbindung zwischen den aktiven Chips und dem Direct bonded copper (DBC) spielt dabei eine wichtige Rolle. Hierzu können Silberverbindungen eingesetzt werden. Die langen Prozesszeiten und die hohen Kosten des Silbers sind erhebliche Nachteile und schränken den Einsatz ein. Wir haben gezeigt, dass durch Ultraschall die Prozesszeit um zwei Drittel reduziert werden kann. Die Verwendung von Kupferpaste ist der naheliegendste Schritt, um Silber zu ersetzen, führt aber zu dem Problem der Oxidation vor, während und nach dem Prozess. Daher muss eine Inertgasatmosphäre verwendet werden. Um den Silberbedarf für den Sinterprozess in Raumatmosphäre zu verringern, schlagen wir geschützte Silber-Kupferpasten vor, bei denen die Kupferpartikel mit einer dünnen Silberschicht eingekapselt sind. Dadurch kann das Silbervolumen um etwa 80% reduziert werden. Durch den Einsatz von Ultraschall kann die Porosität nahezu eliminiert werden, wodurch die Oxidationsanfälligkeit nach dem Sintern deutlich verringert wird. Diesen Vorteil wollen wir nutzen, um auf die Silberbeschichtung auf DBC und Chip zu verzichten und so das Silbervolumen um weitere ca. 10% des ursprünglichen Volumens zu reduzieren so dass insgesamt 90% eingespart werden. Unsere bisherigen Arbeiten haben gezeigt, dass sich Ultraschall sehr positiv auf den Prozess auswirkt. Der Mechanismus ist jedoch noch nicht vollständig verstanden. Wir konnten unsere frühere Hypothese widerlegen, dass die zusätzliche Reibung die Hauptursache für die Prozessverbesserung ist. Mit den selbst entwickelten Temperatursensoren, die in den Chip integriert sind, konnten wir einen unbedeutenden Temperaturanstieg nachweisen (geringe Reibarbeit). Dies führt uns zu unserer neuen Arbeitshypothese, dass während des Sinterprozesses die Ultraschallentfestigung und die beschleunigte Diffusion die Hauptfaktoren für die Prozessverbesserung sind. Da die Verbindung während der Heißtrocknung der Paste beginnt, sind große Relativbewegungen zwischen den Partikeln bereits blockiert. Daher ist die Verringerung der Porosität das Ergebnis einer plastischen Verformung, bei der die Ultraschallentfestigung ins Spiel kommt. Durch die Vergrößerung der Kontaktflächen kommt es zur beschleunigten Diffusion zwischen den Teilchen. Unsere Analyse zeigt, dass es einen zweiten Zeitraum für den Einsatz von Ultraschall gibt, unmittelbar nach dem Siebdruck und während der Heißtrocknung, in dem die Partikel noch nicht verbunden sind und die Schwingung eine Verdichtung der Schicht ermöglicht. Dies hat das Potenzial, die Ausgangssituation für das Sintern erheblich zu verbessern. Wir wollen die Hypothesen mit geeigneten Experimenten untermauern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen