Wenn elektronische Baugruppen höchste Anforderungen an Temperaturbeständigkeit und Langlebigkeit erfüllen müssen, sind dem klassischen Löten Grenzen gesetzt und das Sintern spielt seine Stärken aus.
Innenansicht eines Sinterbonders (Bild: INFOTECH AG)
Das Sintern ist eine Verbindungstechnik, die in der Elektromobilität von großer Bedeutung ist. Powermodule für diese Anwendungen müssen höchste Anforderungen an Leistung (Temperatur) und Lebensdauer erfüllen. Die hervorragenden physikalischen Eigenschaften dieser Verbindung zwischen Leistungshalbleiter und Substrat bieten erhebliche Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Lötverbindung [1]. Silber als Metall in der gesinterten Mischung wird aufgrund der vergleichsweise niedrigen Sintertemperatur und damit auch der reduzierten mechanischen Spannungen zwischen den Bindungspartnern bevorzugt eingesetzt. Die Größen, die für eine zuverlässige Sinterverbindung benötigt werden, sind Druck und Temperatur.
Für kleine Bauteile (z.B. LEDs) werden speziell ausgestattete Standard-Diebonder eingesetzt, die die Sinterverbindung in einem Schritt durchführen können. Die zur Verfügung stehende Kraft reicht aus, um einen zuverlässigen Sinterprozess (ca. 10 bis 20 MPa) durchzuführen. Die gesinterte Schicht selbst kann mit verschiedenen Verfahren (Paste, DTF - Die Transfer Film, Alpha Assembly Solutions, Preform etc.) auf den Halbleiter oder die Substrate aufgebracht werden. Bei größeren Bauteilen wird der Halbleiter in einem ersten Schritt auf dem Substrat fixiert. Man spricht dabei auch von Tacking. Dies geschieht auch unter Temperatur und Druck. Die Temperatur darf dabei keine strukturverändernde Höhe erreichen. In einem zweiten Schritt werden die Teile mit Spezialwerkzeugen (Sinterpresse) gesintert. Diese Werkzeuge sind üblicherweise so konzipiert, dass alle Komponenten auf einem Substrat gleichzeitig gesintert werden.
Teilprozess – Dipping in DTF (Bild: INFOTECH AG)
Der Sinterbonder von Infotech (Bild 1) erfüllt die Anforderungen an den Attach-Prozess für die Leistungselektronik. Diese Anforderungen gehen über die üblichen Kapazitäten eines Diebonders hinaus. Der hochflexible Diebonder wird für unterschiedliche Produktionsanforderungen - von der Laboranwendung bis zur Serienproduktion - eingesetzt. Aus der Komponentenmatrix von Infotech ist das System mit Sinterprozess-spezifischen Komponenten ausgestattet, d.h. mit beheiztem Bondkopf mit hohen Kraftkapazitäten, Substratvorwärmer und Heizstation mit integrierter Kraftmessung, DTF-Zuführung (Bild 2) u.v.m. Das System kann als eigenständige Maschine im Batch-Prozess oder als vollautomatisches Inline-System betrieben werden. Bei größeren Dies wird dieser durch den Sinterbonder auf das Substrat in der Regel ein DBC (Direct Bonded Copper) – gesetzt und vorgesintert. Der eigentliche Sinterprozess wird danach mit einer Sinterpresse mit hohem Druck durchgeführt. Bei kleineren Dies, z.B. LEDs, kann der Sinterbonder den Chip mit zwei beheizten Bondköpfen nacheinander vollständig auf das Substrat sintern. Die Infotech-spezifische Lösung für das Sinterbonding beinhaltet bis zu drei beheizte Bondköpfe mit manuellem Werkzeugwechsel, Prozesswärmeprofile bis 300 °C, Bondkraftfähigkeiten bis 300 N (optional 500 N), beheizte Substrathalteplatte mit manueller Neigungsverstellung und integriertem Kraftmesstisch, bis zu zwei Standard-Bestückungsköpfe mit Zwischenablage zum Umsetzen der Chips vom kalten auf den beheizten Bondkopf, beheizte Substrataufnahme bis 200 °C mit integrierter Vorwärmstation und Unterstützung des DTF-Prozesses ab 4x4"-Waffelpacks, Jedec-Trays oder direkt aus Waferrahmen.
Literatur
[1] Cyril Buttay, Amandine Masson, Jianfeng Li, Mark Johnson, Mihai Lazar, et al.. Die Attach of PowerDevices Using Silver Sintering - Bonding Process Optimization and Characterization. HITEN 2011 , Jul 2011, Oxford, United Kingdom. pp.1-7. hal-00672619
Powermodule müssen höchste Anforderungen an Leistung und Lebensdauer erfüllen – da spricht vieles für das Sintern
