Sinter-Bonden – maximale Zuverlässigkeit für Hochleistungsanwendungen
Die Leistungselektronik ist eines der am schnellsten wachsenden Marktsegmente – angetrieben durch Elektromobilität und erneuerbare Energien. Eine zentrale Herausforderung ist dabei die Steigerung von Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Lebensdauer bei gleichzeitig sinkenden Herstellungskosten. Besonders Wide-Bandgap-Halbleitermaterialien wie SiC und GaN eröffnen durch hohe Schaltfrequenzen und geringe Schaltverluste neue Möglichkeiten, erfordern jedoch auch zuverlässigere Verbindungstechnologien.
Das herkömmliche Die-Attach-Verfahren – Weichlöten – stößt hier schnell an Grenzen: Kriechverformungen mindern die Zuverlässigkeit, und Temperaturen über 250 °C sind nicht mehr beherrschbar. Die Lösung bietet das Sintern mit Silber- oder Kupfer-basierten Verbindungsschichten. Diese Technologie überzeugt durch exzellente Temperaturstabilität sowie hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, was für bessere Kühlung und geringere Wärmeverluste sorgt.
TRESKY Die-Bonding-Anlagen verarbeiten Silbersinterpasten sowohl im Hochdruck- als auch im Niederdruckverfahren – ähnlich einfach wie Lotpasten. Darüber hinaus können auch Die Transfer Films eingesetzt werden. Über die Jahre wurden auf unseren Plattformen zahlreiche Verfahren für unterschiedliche Sintermaterialkombinationen erfolgreich entwickelt.
Für Niederdruck- oder drucklose Sinterpasten wird häufig ein zweistufiger Prozess eingesetzt. Zunächst wird die Paste per Dosier- oder Siebdruckverfahren auf das Substrat aufgebracht. Der Die-Bonder Modell T-5500 nimmt anschließend den Die entweder aus einem Waffle- oder Gel-Pack oder direkt vom Wafer auf und platziert ihn mit definierter, geringer Kraft präzise im Sinterpastenbett. Dabei wird das Bondwerkzeug für kurze Zeit auf eine programmierte Temperatur von etwa 200 °C erhitzt, um den Die mit dem Substrat zu verbinden. Im zweiten Schritt – der deutlich länger dauern kann – erfolgt die Aushärtung im Ofen. Hier schmelzen die mikroskopisch kleinen Metallpartikel in einem kontrollierten Diffusionsprozess zusammen und erzeugen eine hochfeste, dauerhafte Verbindung.
Wenn die Zykluszeit keine kritische Rolle spielt, kann der gesamte Prozess auch direkt im T-5500 durchgeführt werden. Neben dem beheizten Bondwerkzeug steht dabei auch der beheizbare Substrathalter mit programmierbaren Temperaturprofilen zur Verfügung – für maximale Prozessstabilität und gleichbleibende Qualität.
Das alternative Verfahren arbeitet mit hohem Druck und wird in der Regel in einem einzigen Schritt und bei kürzeren Zykluszeiten ausgeführt. Es verwendet Hochdruck-Sinterpasten, bei denen der gesamte Prozess im Die-Bonder stattfindet. Hier werden höhere Drücke von 10 MPa und mehr bei typischen Temperaturen von 230°C für mehrere Minuten verlangt. Der Die-Bonder kann programmierbare Kräfte von bis zu 1000N beim T-5500 aufbringen, die den erforderlichen Druck für Chipgrößen bis zu etwa 7×7 mm² liefern. Höhere Temperaturen von bis zu 400°C sind ebenfalls für verschiedene Sinterpasten möglich, und zwar mit programmierbaren Temperaturprofilen sowohl im Bondwerkzeug als auch im Substrathalter.
Eine in jüngerer Zeit entwickelte Technologie verwendet Die Transfer Films anstelle von Sinterpasten. Sie können von unseren Die-Bondern ähnlich wie das Flux-Dipping von Dies gehandhabt werden. Der Die wird zunächst auf einen Die-Transfer-Film-Preform in der richtigen Größe abgelegt. Die Folie wird dann zusammen mit dem Die von ihrem Träger abgezogen, bevor sie auf dem Substrat platziert wird, wiederum mit programmierbarer Kraft und Temperatur, um sie in der Position zu fixieren.
Es gibt noch weitere Einsatzmöglichkeiten für gesinterte Oberflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips, nicht nur auf der Unterseite. Halbleiter, die bei höheren Temperaturen arbeiten, werden vorzugsweise mit Kupferdrähten kontaktiert, da die üblichen Aluminiumdrähte bei den gewünschten Betriebstemperaturen eine wesentlich geringere Zuverlässigkeit aufweisen. Der Hauptnachteil von Kupferdrähten besteht jedoch darin, dass sie viel härter als Aluminium sind und die Chipoberfläche beim Drahtbonden einer viel höheren mechanischen Belastung ausgesetzt ist, was wiederum zu einer geringeren Zuverlässigkeit führt. Ein neu entwickelter, attraktiver Ausweg ist eine mechanische Bondpufferschicht aus Kupfer mit einer aufgebrachten Silbersinterschicht. Diese wird vom Die-Bonder als zusätzliche Lage auf den Die aufgebracht und gleichzeitig mit dem Die im selben Prozess auf das Substrat gesintert.
