Sintertechnologie – Ein Überblick – Teil 1

Einleitung

Die Sintertechnologie ist ein Fügeverfahren insbesondere für die Gebiete Ligthing, Healthcare, Industry, Automotive und Power Electronics [45]. Hierbei wird unter Ausnutzung der Miniaturisierung der Fügewerkstoffe z. B. Silber und Kupfer und/oder Stoffgemische bzw. metallisierter Keramik- und metallischer, beschichteter Partikel die Wiederaufschmelzcharakteristik zu höheren Temperaturen verschoben. Damit eignen sich Sinterverbindungen für Hochtemperaturanwendungen oben stehender Applikationsbereiche. In folgender Abhandlung wird versucht, einen Überblick über Technologievarianten und Werkstoffvarianten für die Sintertechnik zu geben. Die Auswertung internationaler Tagungen und Konferenzen steht hierbei im Mittelpunkt – sie sind nachfolgend aufgeführt:

• ECTC 2017 67th Electronic Components and Technology Conference
• ECTC 2018 68th Electronic Components and Technology Conference
• ECTC 2019 69th Electronic Components and Technology Conference
• EMPC 2017, European Microelectronics and Packaging Conference
• EMPC 2019 European Microelectronics and Packaging Conference
• ECPE Workshop 2019, ECPE Workshop Advanced Power Packaging – Power Modules 2.0
• CIPS 2018 10th International Conference on Integrated Power Electronics Systems
• ESIME 2018 19th Annual International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems
• ESIME 2019 20th Annual International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems
• IMAPS 2019 European Mircoelectronics and Packaging Conference
• PCIM 2017 Internationale Fachmesse und Konferenz für Leistungselektronik, Intelligente Antriebstechnik, Erneuerbare Energie und Energiemanagement
• PCIM 2019 Internationale Fachmesse und Konferenz für Leistungselektronik, Intelligente Antriebstechnik, Erneuerbare Energie und Energiemanagement
• EBL 2018 Elektronische Bauelemente und Leiterplatten
• ESTC 2018 7th Electronic System-Integration Technology Conference.

Die nachfolgenden erkennbaren Trends für Hochtemperaturverbindungen werden in diesem Artikel näher betrachtet und ausgewertet.

Sintertechnologie

In Abbildung 1 sind Einflussgrößen auf den Sinterprozess dargestellt. Hier wurde in [1] ein sehr guter Überblick über Technologie- und Prozessgrößen publiziert. Für integrierte Powermodule werden hier die design limits bezüglich electrical, thermal, manufacturing, mechanical und system integration diskutiert. Darauf aufbauend werden die Materialien und Aufbautechnologien vorgestellt die am Ende die Lifetime ergeben bzw. beeinflussen. Mission profile und Operating Conditions sind die Ausgangspunkte kalkulierbarer Technologievarianten. Beispiele der Power Module sind in Abbildung 1.1 dargestellt.

Abb. 1.1: Power Modules [45]

Die Varianten der Technologieapplikation für Hochtemperaturverbindungen werden in [2] vorgestellt und sind in Abbildung 2 visualisiert. Neben der etablierten Löttechnologie werden Diffusionslöten, Presskontakte und Sintertechnologie beschrieben. Im Rahmen der Sintertechnologie werden die low temperature Sintertechnik unter Druck und drucklos in den Mittelpunkt gerückt, wobei die low temperature Sintertechnik zu definieren ist (siehe Abb. 3).

Abb. 2: Chip-Verbindungstechniken (Die Interconnection) für Power Module [2]

Die Sintertechnikapplikation wird für das Ag-Sintern (SiC, GaN) als auch das Cu-Sintern entwickelt und angewendet. Die verfahrenstechnischen Besonderheiten werden insbesondere durch die Anwendung inerter bzw. Schutzgasanwendungen zu analysieren sein. Um SiC/GaN sicher mit dem Substrat zu verbinden, müssen die Die-bonding Materialien höhere Temperaturen im Environment und exzellente Wärme- und leitende Eigenschaften haben, um die Zuverlässigkeitsanforderungen zu erfüllen.

Abb. 3: Prozessparameter Ag- und Cu-Sintern [3–43, 64, 65,79]

Einen Überblick über die Technologie- und Prozessvariablen vermittelt nachfolgende Darstellung. Hier werden die Kenngrößen Vorheizung, Temperatur, Druck und Sinterzeit, Sinter-Atmosphäre sowie Scherfestigkeit (soweit angegeben) dargestellt. Auffällig ist auch die Tatsache, dass dem Nano-Pulver keine Bedeutung mehr beigemessen wird. Die Variable Sinterdruck muss vereinheitlicht werden (Standardisierung), um Vergleiche der unterschiedlichen Ausführungsformen durchführen zu können. SiC Module können z. B. 1000 Zyklen zwischen -4o/+250 gewährleisten. SiC module können angewendet werden für unkonventionelle, weit thermische Temperaturzyklen, wenn der Koeffizient der thermischen Ausdehnung und der E-Modul zwischen den unterschiedlichen Materialien in Relation gebracht werden.

Insgesamt ist die Varianz der Parameter ein Hinweis auf die Entwicklungsstadien der Ag- als auch der Cu-Sintertechnologie. Die Akzeptanzkriterien der Technologien werden über die Scherfestigkeit festzulegen sein. Hierfür sind einheitliche Vorgaben von Bedeutung.

Abb. 4: ECPE Working Group [44]Erkennbar ist die Tatsache, dass nano Ag und nano Cu keine Schwerpunkte der technologischen Variation mehr sind. Weiterhin ist ableitbar, dass die Prozesstemperaturen im moderaten Bereich liegen, hier aber die Warpage-Eigenschaften der Fügeteile beachtet werden müssen, um mechanische Spannungen im Modulaufbau zu minimieren. Der Übergang vom Ag-Sintern zum Cu-Sintern ist mit dem Atmosphärenwechsel von Stickstoff zu Wasserstoff gekennzeichnet. Insgesamt gesehen sind die Parameter Sinterdruck, Sinterzeit und Sintertemperatur sehr uneinheitlich und hier drängt sich die Frage nach einer Standardisierung auf, da ansonsten publizierte Daten zur Power Cycle-Festigkeit und damit zur Modulzuverlässigkeit schwer zu vergleichen sind. Die Fragen der Standardisierung der Prozesse, der Prozessparameter und der Testverfahren zur Diagnostik der Modulzuverlässigkeit setzen eine nationale und internationale Zusammenarbeit voraus, wie sie auch bei der Surface Mount Technology heute Standard ist. Die Merkmale einer nicht abgeschlossenen Standardisierung kommen auch in den Prüf- und Testverfahren zum Ausdruck (Abb. 6). In [44] werden die Aktivitäten zur Standardisierung im Automotive-Bereich vorgestellt (Abb. 4 und 5).

High Temperatur Storage

• 150 °C, 500 h
• 155 °C, 1000 h
• 200 °C, 1000 h, 3000 h
• >= 200 °C
• 25 °C to 250 °C
• 250 °C, 4 h, 250 h, 1000 h
• <= 300 °C
• 300 °C, 96 h, 512 h,

 

 

Die angewandten Temperaturen sind sehr uneinheitlich. Deutlich ist jedoch, dass die maximalen Temperaturen den Anforderungen an die Hochtemperaturmodule folgen. Wichtig ist in diesem Zusammhang das die thermische Beständigkeit der Modulwerkstoffe neuen Anforderungen gerecht werden müssen. Hier ist im wesentlichen ableitbar, das den thermomechanischen Eigenschaften eine besondere Bedeutung zukommt. Insbesondere die Bestrebungen der Weiterentwicklung der Substratwerkstoffe sind hier erkennbar [67–75].

 

TCT -65/+150, 500cycles, HTS 175°C 1000h	Yao, ECTC 2018
HTS 175 °C / 200 °C	Cho, ECTC 2018
TCT -40/+150, 2500cycles	Zhao, ECTC 2018
TCT -65/+150, 500cycles, AEC-Q100; HTS 300°C, 50-2000h	Yang, ECTC 2018
TCT, HTS	Chew, ECTC 2018
HTS 245, 273, 287°C; 72h, 336h	Chiu, ECTC 2018
MIL-STD 883H, method 2019.8	Fu, ECTC 2018
HTS 175 °C, 1000h; TCT-40/+175, 1500cycles	Guyneot, ECTC 2018
TCT-40/150, 250cycles	Schiffmacher, ECTC 2019
TCT-40/200, 1000cycles	Liu, ECTC 2019
TCT-50/200, 1000cycles; HTS 250 °C, 500h	Tang, ECTC 2019
TCT-40/150, tdwell=1h to150 °C, transition 30sec to -40	Nijay, ECTC 2019
H3TRB, silicone potted Al2O3, dried 48h, 100 °C, followed by 85/85	Kolbinger, ECTC 2019
TCT-40/150	Sokolov, ESIME 2018
Thermo-mechanical non-linear FEM, 5 thermal cycles; elasticity, plasticity, CTE	Solokov, ESIME 2018
Active and passive heating and cooling	Kashko, ESIME 2018
Look-in-thermography (hot spots in power devices)	Vellvehi, ESIME 2018
Cyclic cohesive zone model	Springer, ESIME 2018
Multi-scale modelling Silvaco and Dmol3 software	Zheng, ESIME 2018
Power cycling	Jiang, ESIME 2018
Power cycling; electro-thermo-mechanical model	Jiang, ESIME 2018
Power cycling +30/+180, 600.000cycles (LV124, LV324 for power electonics)	Guyneot, ESIME 2018
FEM modelling of porosity in Ag sinter layer; 300 °C for 2000h	Huang, ESIME 2018
Power cycling deltaT 80K, Tmin40°C, Tmax120°C
Wagner, ESIME 2019
TCT -40/+175, 1500 cycles (PCB benzoxazin)	Ratchev, EBL 2018
TCT +20 / +230 °C, 20cycles
Kokash, ECTC 2017
HTS 200 °C, 750h	Mavinkurve, ECTC 2017
Power Cycling Test deltaT 140 °C, HTS 200 °C	Feisst, ECTC 2017
HTS 175 °C, 3000h; TCT-50/150 °C, 2000cycles, JESD22-A104	Ueta, ECTC 2017
Power Cycling Test PCT3	Hutzler, ECTC 2014
TST -40/+175, -40/+200; 500 cycles	Möller, ECTC 2014
TST -50/+150, 2000cycles	Zhang, ECTC 2014
TCT -40/+200 and -55/+250	Xu, ECTC 2013
TCT-40/+200 °C at strain rates between 10exp-5 and 10exp-2 1/s.	Herboth, ECTC 2019
TCT -40/+180; -40/+250, 750 (1000) cycles, (TSE11-A-S, ESPEC Corp.)	Sakamoto, ECTC 2013

Abb. 6: Test-und Prüfverfahren für Sinterverbindungen in Power Modulen

 

Temperature Cycle Test

• +25/+250 °C
• -55/+90 (9300 cycles), 10 min each
• -40/+125, 1000 cycles
• -5/+200, 30 min each
• -55 °C/+150 °C, 1000 cycles
• -55 °C/+230 °C
• -40/+200 °C, 1000 cycles, 30 min each, 2000 cycles
• -40 °C/+250 °C, 1000 cycles
• -55 °C/+195, 1 min dwell
• > 300 °C
• 350 °C

Die Testbedingungen folgen den Anforderungen an die Hochtemperaturmodule, wenngleich die Prüfbedingungen sehr unterschiedlichen Anforderungen entsprechen. Die höchste Prüfschärfe mit -55 °C/+230 °C zeigt hier eindeutig, dass die erweiterten thermischen Anforderungen an den Modulaufbau entscheidend sind für eine entsprechende technische Zuverlässigkeit. Nicht in jedem Fall ist die Angabe Temperaturschock oder Temperaturwechsel angegeben, jedoch für die Ergebnisse der zyklischen Beständigkeit notwendig.

Power Cycle Test

• Power Cycle Test
• deltaT 100K, 72 000 cycles, no-pressure sintering
• deltaT 130K, ton 1s
• 1500A, ton 15s, toff 15s
• deltaT 120K, 200 000 cycles
• deltaT 155K
• deltaT 165K
• deltaT 170K
• deltaT 130K
• deltaT 225K, 165 000 cycles, 200 000 cycles
• 180 000 cycles, ton 2s, toff 5s
• deltaT 100K, 17 000 cycles, 1 000 000 cycles

Ähnlich den Temperaturwechselversuchen ist auch bei den Powerzykeltests eine nicht gegebene Übereinstimmung vorhanden. Delta T-Werte von bis zu 225 K zeigen auch hier die Notwendigkeit der angepassten Modulaufbauten. Bis zu 1 000 000 Zyklen beim deltaT von 100 K werden beschrieben.

Toperating

• 250 °C
• 175 °C, 1000 A
• 220 °C
• 250 °C
• >=250 °C

Tjmax

• 250 °C
• 100 °C
• 175 °C, 800 A to 1000 A
• 200 °C
• >200 °C
• 230 °C
• 220 °C
• 250 °C
• >=250 °C
• deltaTj 100 K , heating, cooling 120 s
• High Humidity Test
• 1000 h, 85/85
• 500 h, 85/85

Der High Humidity Test entspricht den Prüfbedingungen der löttechnischen Module und dient auch hier der Analyse der korrosiven Beständigkeit [76], beeinflusst durch die Varianz der Modulwerkstoffe. Ergebnisse der korrosiven Eigenschaften der Power Modul werden aus [76] in Tabelle 1 dargestellt.

 

	Substrate technology	Insulating dielectric material	Metali-zation	Coating of the metali-zation	Optional dendritic growth and time for different fluids
					Tap water	Deionized water	Di water with H2SO4	Di water with HCI
1	DBC	AlN	Cu	-	Yes, > 11min	Yes, > 5 min	Yes, > 3 min	Yes, > 1 min
2	DBC	Al2O3	Cu	-	Yes, > 10 min	Yes, > 5 min	Yes, ~ 1 min	Yes, ~ 1 min
3	DBC	AlN	Cu	Ag	Yes, > 1 min	Yes, > 3 min	Yes, ~ 1 min	Yes, > 1 min
4	DBC	Al2O3	Cu	Ag	Yes, > 4 min	Yes	Yes, ~ 1 min	Yes, ~ 1 min
5	DBC	AlN	Cu	Au	No	No	Yes	No
6	AlSi soldered	Al2O3	Al	Ni	No	No	No, but surface corrosion	No, but surface corrosion
7	IMS	Al2O3 filled expoxy	Cu	Ag	Yes	Yes	Yes, ~ 1 min	Yes, ~ 1 min
8	DBA direct casting	AlN	Al	Ni	No, but surface corrosion	No, but surface corrosion	No, but surface corrosion	No, but surface corrosion
9	AMB CuAgTi solder	Si3N4	Cu	Ni	No, but surface corrosion	No	Yes, > 4 min	Yes, > 2 min

Tab. 1: DCB, DBA, AMB und IMS-Substrate mit entsprechenden Korrosionskennzahlen [76]

 

Industry Standard Tests – Reliability

Nachfolgend werden die Prüfbedingungen (TCT, HTS, H3TRB, Zyklenzahlen bzw. Stunden) resultierend aus der Recherche gelistet. Die kritischste Prüfbedingung mit -55/+250 verdeutlicht nochmals die Bedeutung der Funktionswerkstoffe im Modulaufbau. Alle nachfolgend aufgeführten TCT-Bedingungen sind sehr unterschiedlich im deltaT der Absoluttemperatur. Eine Standardisierung scheitert mehr wegen der Tatsache, dass die Module mit sehr unterschiedlichen Funktionswerkstoffen ausgerüstet sind.

Im Sinne der Vergleichbarkeit erreichter Parameter der Prüfschärfen ist hier unbedingt eine Vereinheitlichung der Testparameter vonnöten, um zu Industriestandards zu kommen.

Cu-Sintertechnologie

Abb. 7: Cu-Sintertechnologie[49]Die Technologie des Cu-Sinterns ist gleichwertig zu der Ag-Sintertechnik zu sehen [66] (Abb. 7 [49]). Unterschiede entstehen in der Wahl der Atmosphäre der Sintertechnik. Weitere Integrationstechnologien für Power Module werden im Bereich des Chip-Embedding [47, 51–57, 66] und der Multilayertechnologie [48, 50, 58, 62, 63] vorgestellt. Nachfolgend einige Kernmerkmale der Technologievariationen [46, 47]. Angaben zur Porosität in Abhängigkeit des Sinterdruckes, der Sintertemperatur und der Sinteratmosphäre werden in [48] benannt (Abb. 8). Hier sind low pressure Verbindungen miteinander verglichen. Inwieweit das low pressure Sintering sich für die C-Sinterverbindungen durchsetzt, ist von der Porosität und den erreichbaren Scherfestigkeiten abhängig (Abb. 9). Hier ist der Wasserstoffgehalt in der Stickstoffatmosphäre ein Parameter bei der Angabe der Scherfestigkeiten.

Chip-Embedding

Die embedding Technologie gehört zu den innovativen Chip-Mounting Technologien für Power Module. Die Chip-embedding Technologie hat ein großes Potenzial in Bezug auf Kosten, elektrische Performance, Kompaktheit und Zuverlässigkeit. Den Grad der Miniaturisierung ist eine konstante Forderung im Mikroelektronik-Packaging. Dieser trifft auch für das Gebiet der Power Module zu, wo speziell SiPs einen Modultyp mit hohen Variablen in der Packaging Technologie darstellen. Die Integration von Komponenten in das Leiterplattenmaterial (bekannt als PCB-Embeddeing) besitzt enorme Vorteile in der Herstellung und Verbindungstechnik von Power Modulen und hat große Vorteile unter verschiedenen Aspekten. Zuerst, die PCB-Embedding Technologie und die dicken Cu-Substrate erhöhen die thermische Performance, zweitens die Package-Konstruktion führt zu kleineren Package Parasitäten. Konsequenterweise werden auch die Schaltverluste reduziert. Dies in Kombination mit kleinerer therischen Impedanz erhöht die Leistungsdichte auf Systemlevel. Mehr noch hat diese Technologie das Potenzial einer kosteneffektiven Fertigung mit Fähigkeiten auf PCB Board Level.

Abb. 8: Porosität der Cu-Sinterverbindungen [49]

Abb. 9: Die-Scherfestigkeit von Cu-Sinterverbindungen auf verschiedenen Metallisierungen der Substrate [49]

Bezüglich der steigenden Anforderungen an die Miniaturisierung, erhöht sich die Verlustleistungsdichte, welche das thermische Management schwieriger gestaltet. Ein Weg der Minimierung des Einflusses ist das PCB embedding der Halbleiter. Dieser Ansatz führt zu kürzeren thermischen Pfaden vom Halbleiter zum Kühlkörper im Vergleich zu der etablierten DCB Modul Technologie. Die Herstellung von embedded Modulen mit etablierten embedding Prozessen führt zur Fähigkeit der dielektrischen Kühlung. Das PCB embedded package in Abbildung 10, hat eine Größe von 10 x 10 mm [77] und basiert auf der ECPTM-Technologie von AT&S. Das X-Ray-Bild (Abb. 10b) zeigt das Layout. Micro-Vias sind hier verwendet als Zwischenverbindungstechnologie zwischen Chip-Metallisierung und den Cu-Schichten auf der Top- und Bottomseite.

 

 

Die Micro-Vias werden verwendet für die elektrische als auch thermische Anbindung.Weiterhin können die Through-Vias auch für die Verbindung zwischen der Top- und Bottomseite von ca. 3.5 K/W und einen thermischen Widerstand von ca.17 K/W auf der Top-Seite [77] verwendet werden. Die PCB embedding Technologie setzt voraus, dass das Substratmaterial aus der Sicht des CTE in einem guten Verhältnis zum Halbleiter steht [61], um lokalen Stress zu reduzieren. Hier gibt es Bestrebungen, neuartige Substrate zu entwickeln und zu applizieren [60].

Abb. 11: Planare Packaging Technologie [47]

Ausblick

Teil 2 dieses Beitrags wird in der PLUS 11/2020 erscheinen und sich mit Fragen zu Technologievarianten, der Test- und Prüfphilosophie, non-destructive Testing, FEM-Simulationen zum CTE-Matching, den Ergebnissen des Power Cycling und der Zuverlässigkeitsbetrachtung unter den beschleunigten Tests beschäftigen.

Präzisiert erläutert werden in Teil 2 die folgenden Schwerpunkte, die als Technologievarianten und Einflussgrößen identifiziert wurden im Bereich ‚Materials for Technology for Power Electronics‘:

• Abb. 12: PCB embedded Chip-Montage [1]Directional Solidification of Soldered Power Modules
• Ag sintering
• Die Transfer Film
• Ultrasonic Assisted Sintering
• Laser Assisted Sintering
• Infrared Assisted Sintering
• Die Top System
• Cu Sintering
• TLP Bonding
• SLID Bonding
• Embedded Power Electronics
• Additive Manufacturing of Power Electronics
• Direct Pressed Die Technology
• Wafer Level 3D Power Integration
• Bond Buffer
• Substrates
• Plasma Coating
• Stacked Ceramics / Modules
• Cooling
• Electrochemical Corrosion
• Non-destructive Testing
• Power Cycling
• H3TRB Test
• Transient Thermal Analysis
• Encapsulation
• Ribbon Bonding
• Lifetime Ceramic Capacitor
• FEM for Power Electronics
• Tests Sinter Interconnects
• Industry Standard Tests-Reliability

www.avt.et.tu-dresden.de, www.budatec.de

Referenzen

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[5] Huber: Novel SiC Module Design – Optimised for Low Switching Losses,Efficient Cooling Path and Low Inductance CIPS 2018

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