(Bild: Pink Thermosysteme)
Trotz aller Diskussion über die Notwendigkeit des Verfahren bei dessen Erstvorstellung durch Pink Thermosysteme auf der Productronica 2001, hat sich Vakuumlöten inzwischen als Standardverfahren für die Leistungselektronik etabliert. Denn durch den Einsatz von Vakuum sinkt die Anzahl an Gaseinschlüssen deutlich, was porenfreie Verbindungen überhaupt erst möglich macht. Bild 1 zeigt das Ergebnis eines flussmittelfreien Lötprozesses mit und ohne Vakuumschritt während der Liquidusphase des Lotes. Die Voidrate der Standardlötung liegt bei über 10 Prozent, während Vakuumlöten Lunkeranteile unter 1 Prozent liefert.
Eckdaten
Perfektes Paar
Vakuumtechnik beim metallischen Sintern von Elektronikbauteilen bringt viele Vorteile mit sich. Das fängt an beim Sintern von Pasten und Folien und geht über kontrollierte Sinterreaktionen und Atmosphären, das Verhindern von Oxidation und die Reinigung der Oberflächen bis hin zu porenfreiem Laminieren und hoher Arbeitssicherheit. Als besonders empfehlenswert hat sich die Kombination von Vakuum- und Niedertemperaturverbindungstechnik erwiesen.
Vakuumsintern als Alternative zum Löten
Eine vielversprechende Alternative zum Weichlöten stellt die Niedertemperatur-Verbindungstechnik (NTV) dar. Dabei werden Silber- oder Kupferpartikel bei etwa 200 bis 350 °C für eine bis fünf Minuten unter 5 bis 40 MPa Druck versintert. Aufgrund des vier- bis fünffach höheren Schmelzpunktes von Silber oder Kupfer im Vergleich zu bleifreien Loten sowie deren besserer Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit lassen sich mit der NTV höhere Anwendungstemperaturen und eine um mehrere Größenordnungen längere Lebensdauer erreichen.
Bild 1: Foto der Lötprobe bestehend aus Si-Dummy, SAC305-Lot und DCB-Substrat, Röntgenaufnahme einer flussmittelfrei gelöteten Probe ohne Vakuum und mit Vakuum (v.l.n.r.). Pink Thermosysteme
Bild 1- MITTE Pink Thermosysteme
Bild 1 - RECHTS Pink Thermosysteme
Konventionelle Sinterprozesse finden in offenen Systemen und somit unter Sauerstoffatmosphäre statt, wodurch Kupferbauteile oxidieren und deshalb versilbert oder vergoldet beziehungsweise für nachfolgende Prozesse wie Kupferdrahtbonden mit zusätzlichen Prozessen gereinigt werden müssen. Für das Sintern mit Kupferbauteilen sind Sinterpasten auf Silberbasis bereits im Markt etabliert. Hybridpasten mit Kupfer- und Silberpartikeln sowie reine Kupferpasten befinden sich derzeit in der Entwicklung. Für das Sintern mit Kupfer ist eine sauerstofffreie oder reduzierende Atmosphäre notwendig, die nur in einer Vakuumkammer zu erzeugen ist und die Oxidation der Kupferoberflächen beziehungsweise Pasten verhindert. Dies geschieht durch den Gasaustausch mit N2 und Reduktionsmitteln wie HCOOH oder H2.
Die Vakuumtechnik bietet sich sowohl für Kupfer- als auch für Silbersintern an. Da viele Silberpasten einen geringen Sauerstoffgehalt um 500 ppm benötigen, lässt sich durch das Einstellen der Konzentration und des Zeitpunktes die Sinterreaktion gezielt starten und deren Verlauf kontrollieren. Statt Pasten können auch Folien unter Vakuum versintert werden. Durch die Vorbehandlung und Legierung der Silberfolien lassen sich deren Materialeigenschaften gezielt beeinflussen und somit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauteile einstellen.
Bild 2: An Luft gesinterte Probe (links) und in der Vakuumkammer gesinterte Probe (rechts). Das unter Sauerstoff prozessierte Substrat ist stark oxidiert. Pink Thermosysteme
Bild 2 - RECHTS Pink Thermosysteme
Ameisensäure reduziert Oxide
Doch Vakuumtechnik hat noch weitere Vorteile: Gaskonzentrationen (z.B. O2 oder N2) beziehungsweise spezielle Atmosphären wie N2H2 oder Ameisensäure können in der Kammer eingestellt werden und durch Reduktion der Oberflächenoxide den Prozess unterstützen. Zudem lässt sich der Sinterprozess mit einem Laminierprozess kombinieren, um Isolationsfolien ohne Gaseinschlüsse aufzubringen. Im Vergleich zu offenen Systemen steigen auch die Qualitäts- und Sicherheitsstandards. Entstehende Dämpfe der Sinterpaste oder der verwendeten Folien werden abgesaugt und gefiltert. Es entstehen keine Niederschläge auf den Produkten, die später die Funktion beeinträchtigen können.
Ein häufig unterschätzter Faktor sowohl für die Löt- als auch die Sintertechnik ist der Einfluss von Feuchtigkeit und Staub. In einem geschlossenen Inline-System ist die Sinter- beziehungsweise Lötkammer davor geschützt. Dadurch sinken Reinraumkosten beziehungsweise die Linie lässt sich in Grauräumen betreiben.
Bild 3: Tropfentest einer luftgesinterten DCB (li) und Tropfentest einer mit Ameisensäure behandelten DCB (re). Pink Thermosysteme
Oberflächenspannung als Qualitätskriterium
Zur Veranschaulichung der Möglichkeiten beim Vakuumsintern hat Pink eine Versuchsreihe mit der Vakuumsinteranlage SIN200+ durchgeführt. Dabei erfolgte der Sinterprozess mit Kupfer-Substraten bei verschiedenen Atmosphären, anschließend wurde die Oberflächenspannung des Kupfers gemessen. Die Qualität der Bauteiloberflächen ist sowohl für Sinter-, Bond- als auch für Lötprozesse entscheidend. Beim Löten sorgt die hohe Oberflächenspannung des Fügepartners für eine gute Benetzung des Lotes. Von Sinteranwendungen und Kupferdrahtbonden ist bekannt, dass beide Prozesse nicht mit oxidierten Oberflächen funktionieren, da die Oxide die Sinterreaktion beziehungsweise den Bondprozess behindern und die Oberflächenspannung herabsetzen. Somit lässt sich der Wert der Oberflächenspannung als Qualitätskriterium heranziehen. Bild 2 zeigt den Vergleich einer in Sauerstoffatmosphäre gesinterten und einer in Inertgas-Atmosphäre gesinterten Probe. Die kontrolliert gesinterte Probe zeigt keine Oxidationsspuren, während das unter Sauerstoff prozessierte Substrat stark oxidiert ist.
Zur weiteren Veranschaulichung wurden außerdem unter Vakuum gesinterte Proben mit Plasma bzw. Ameisensäure behandelt. Bild 3 zeigt den Tropfentest der oxidierten DCB und des mit Ameisensäure gereinigten Substrats.
Bild 4 vergleicht die Oberflächenspannungen der vier Sinterprozesse. Aufgrund der hohen Rauigkeit des Substrats sind nur relative Vergleiche zwischen den Probengruppen möglich. Durch die Oxidation an Luft sinkt die Oberflächenspannung um 13 Prozent bezogen auf die Oberflächenspannung im Vakuum. Im Gegensatz dazu steigt der Wert der Oberflächenspannung bei Formiergas-Plasma um 89 beziehungsweise bei Ameisensäure um 91 Prozent an.
Bild 4: Vergleich der Oberflächenspannung von Kupfer-DCBs anhand verschiedener Prozesse bzw. Nachbehandlungen. Pink Thermosysteme
Zusammenfassung
Metallisches Sintern profitiert also von der Kombination aus Niedertemperaturverbindungstechnik und Vakuumprozessen. Durch das Kontrollieren der Gaszusammensetzungen kann die Sinterreaktion gezielt starten, oxidierte Oberflächen lassen sich etwa mit Ameisensäure oder Plasma vor und nach dem Prozess reduzieren. Das spart zusätzliche Reinigungsanlagen und verbessert die Prozesssicherheit. Pink Thermosysteme stellt kundenspezifische Vakuumlöt-, Sinter-, Plasma und Trocknungsanlagen her und bietet auch für den Bereich Vakuumsintern alle Schlüsselelemente, beginnend bei der Trocknung der Pasten über die Vor- und Nachbehandlung per Plasma oder Ameisensäure bis hin zum eigentlichen Fügeprozess.
Productronica 2017: Halle A4, Stand 255
Aaron Hutzler
(mou)
