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Elektronik So sintern Sie richtig: 4 Tipps für Anwender

Autor / Redakteur: Aarief Syed-Khaja, Patrick Heinickel / Simone Käfer

Das Silbersintern ist eine Alternative zum Lötprozess. Mit diesen vier Tipps meistern Sie die wichtigsten Herausforderungen.

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(Bild: ©duncanandison - stock.adobe.com)
  • Um ein optimales Sinterergebnis zu erreichen, muss die Sinterpaste gleichmäßig auf das Bauteil gedruckt werden.
  • Bei der Kühlung sind zu hohe Abkühlgradienten zu vermeiden.
  • Ungleichmäßiger Druck oder Druck an den falschen Stellen führt zu einem schlechteren Ergebnis.

Durch neue Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Elektromobilität oder der erneuerbaren Energien, steigen die Anforderungen an elektronische Geräte. Hersteller verwenden zunehmend Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie Siliziumkarbid oder Galliumnitrid, wodurch Betriebstemperaturen bis 300 °C möglich sind. Die in diesen Systemen verwendeten Materialien müssen härteren Bedingungen standhalten als in anderen elektronischen Systemen. Und die traditionelle Verbindungstechnik stößt an ihre Grenzen. Eine Alternative zu herkömmlichen Lötprozessen bietet das Silbersintern. Beim Sintern verbinden sich die Silberpartikel der genutzten Sinterpaste unter Einfluss von Druck und Wärme mit dem Werkstoff und verdichten sich. Über Diffusionsmechanismen findet dieser Prozess schon bei Temperaturen von rund 200 °C statt – weit unter dem Schmelzpunkt von elementarem Silber, der bei 961 °C liegt. Dies bietet eine deutliche höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu Standard-Lötverbindungen. Doch bei der Umsetzung von Sinterprozessen stehen Hersteller vier zentralen Herausforderungen gegenüber.

Tipp 1: Homogenes Auftragen der Sinterpaste

Um ein optimales Sinterergebnis zu erreichen, muss die Sinterpaste gleichmäßig auf das Bauteil gedruckt werden. Oberflächen- und Formfehler während des Drucks werden nach dem Sintern sichtbar. Ein homogener, fehlerfreier Druck ist dabei oftmals vom Schablonendesign sowie der Beschichtungsdicke abhängig. Die aufgetragene Sinterpaste sollte mindestens 70 μm dick sein, wobei Höhenunterschiede unter dem Die, dem ungehäusten Stück eines Halbleiter-Wafers, mit Paste abgedeckt werden. Hersteller sollten dabei eine Volumenreduzierung von 50 bis 70 % einrechnen, um die richtige Sinterschichtdicke zu erhalten. Darüber hinaus ist es üblich, die Nassschicht im Bereich der Matrize rund 100 bis 200 μm zu überdrucken.

Die Geschwindigkeit und der Rakeldruck sind abhängig von Packagedesign, insbesondere vom Halbleiterkomponenten, den Abmessungen sowie den Substrat­eigenschaften, wie Rauheit und Metallisierung. Generell gesprochen, verbessert langsames Drucken in der Regel die Qualität. Bei der Qualitätssicherung können Hersteller auf Systeme zur automatischen Pasteninspektion (SPI) zurückgreifen.

Tipp 2: Gleichbleibende Temperatur an allen Positionen

Der typische Temperaturbereich für das Sintern liegt bei 230 bis 260 °C an der Position der Sinterpaste. Dabei spiegelt die in der Sinterpresse eingestellte Temperatur nicht exakt die Temperatur auf den gesinterten Oberflächen. Die „echte“ Temperatur muss, ähnlich wie beim Löten, durch Temperaturmessungen direkt auf der Sinterfläche validiert werden. Bei der Kühlung sollten Hersteller zudem zu hohe Abkühlgradienten vermeiden, um Eigenspannungen zu minimieren.

Beim Trocknen der aufgedruckten Sinterpaste sowie dem Pick-&-place sollte die Temperatur nicht mehr als 150 °C betragen – über diesem Temperaturbereich kann der Sinterprozess bereits beginnen.

Tipp 3: Gleichbleibender Druck an allen Positionen

Hier werden Halbleiterkomponenten auf einem metallkeramischen Substrat mit einer Silbersinterschicht verbunden.
Hier werden Halbleiterkomponenten auf einem metallkeramischen Substrat mit einer Silbersinterschicht verbunden.
(Bild: Heraeus)

Neben einer gleichbleibenden Temperatur ist ein homogener Druck ein Erfolgsfaktor beim Sintern. Ungleichmäßiger Druck oder Druck an den falschen Stellen führt zu einem schlechteren Ergebnis, beispielsweise zu einer Beschädigung der oberseitigen Halbleitermetallisierung. Der typische Druckbereich liegt zwischen 10 und 30 MPa. Die Druckparameter sind dabei abhängig vom Halbleiter sowie von mechanischen Eigenschaften und den Abmessungen der Komponenten. Hersteller können einen homogenen Druck durch die applikationsspezifische Kombination von Hilfs- oder stützenden Kissenmaterialien sowie individuelle Anpassung von Stempel-Layouts erreichen. Auch die geeignete Schutzfolie trägt zu einem homogenen Druck bei.

Die Materialauswahl ist abhängig von der jeweiligen Applikation – typischerweise werden verschiedene druck- und temperaturbeständige Polymere verwendet. Zu den gängigen Optionen gehören Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxy-Polymere (PFA) und Silikon. PTFE und PFA vermeiden den direkten Kontakt zwischen Presse und Werkzeug und schützen so beide vor mechanischen Beschädigungen. Eine höhere Foliendicke führt zu einer homogeneren Druckverteilung. Jedoch können die Kanten von Substraten beschädigt werden. Silikongummi ist weicher, allerdings weniger stabil gegen hohe Temperaturen.

Tipp 4: Qualitätskontrolle

Regelmäßige Tests der Sinter­ergebnisse führen zu Erkenntnissen für das Qualitätsmanagement. Die Qualität kann mit Biegetests, Schertests, Röntgen und Akustikmikroskopie überprüft werden. Die ersten beiden Testverfahren zerstören dabei das Testobjekt, während die letzten beiden zerstörungsfrei sind.

Alle vier Tests sind gängige Prüfverfahren für Sinterkontakte. Bei den Tests kann überprüft werden, ob es zu Brüchen im Bauteil oder im Substrat durch den Sinterprozess kam oder der Kontakt unzulänglich ist.

Das nächste Sinterseminar von Heraeus findet vom 19. bis 20.3.2020 statt. Mehr Informationen finden Sie bei Herae.us.

* Dr. Aarief Syed-Khaja ist Head of Engineering Services, Dr. Patrick Heinickel ist Senior Project Manager Engineering Services, beide bei Heraeus Electronics in 63450 Hanau, Tel. (0 61 81) 35-36 27

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