
Hybrid-Sinterpasten vereinen das Beste aus zwei Welten und eignen sich besonders für das Chip-Bonden von anspruchsvollen Anwendungen wie SiC- und GaN-Leistungshalbleiter. (Bild: yurchello108 - stock.adobe.com)
Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), immer dünnere Wafer, steigende Leistungsdichten: Die Hersteller von Halbleitern für die Elektromobilität, für Mobilfunkbasisstationen sowie für viele andere Anwendungen, wo hohe elektrische Leistungen geschaltet werden, verschieben die Grenze des Machbaren. Ein Nadelöhr ist dabei die Paste, die beim Bonden des Halbleiterchips für den Kontakt zwischen Halbleiter und Substrat sorgt. Das Substrat kann eine Platine oder eine Keramik sein, bei Leistungselektronik ist es meist eine Metallplatte. Die Paste stellt zum einen sicher, dass beide Komponenten mechanisch dauerhaft verbunden sind, zum anderen sorgt sie dafür, dass die Hitze aus dem Chip nach außen abgeführt wird.
Für das Bonden gibt es unterschiedliche Verfahren mit unterschiedlichen Pasten. Die Paste wird auf das Substrat verteilt oder gedruckt, darauf wird der Halbleiterchip positioniert. Das Sandwich wird erhitzt, wobei je nach Paste unterschiedliche chemische und physikalische Prozesse ablaufen. Anschließend werden die elektrischen Kontakte durch Drahtbonden hergestellt und der Chip in einem Gehäuse eingeschlossen.
Verfahren für das Chip-Bonden
Für das Chip-Bonden gibt es zwei bestehende Verfahren: das Haften und das Sintern.
Haften: Bei Pasten aus Epoxy- oder anderen Kunststoffharzen kommt die Verbindung durch die Adhäsion des Klebeharzes zustande. Die Wärmeleitfähigkeit ist allerdings mit wenigen W/m·K gering. Gibt man Metallpartikel wie Silber in die Paste, lässt sich diese auf 50 W/m·K steigern. Mehr ist sehr schwierig, weil die Wärme über die Kontaktflächen der Silberpartikel geleitet wird, diese aber nicht fest metallisch verbunden sind. Das Klebeverfahren ist heute sehr verbreitet und eignet sich für Logikchips mit geringer Wärmeentwicklung, etwa in Mobiltelefonen.
Sintern: Die Paste enthält Metallpulver sowie organische Bestandteile wie Lösemittel, die beim Sintern entfernt werden. Die Paste wird bei 200 °C bis 250 °C erhitzt, wodurch sich die Silberpartikel untereinander und mit Substrat und Chip metallisch verbinden. Beim Sintern verdampft das Lösemittel und es bleiben Poren im Silber zurück. Die Wärmeleitfähigkeit liegt mit über 200 W/m·K sehr hoch. Das Verfahren eignet sich für Anwendungen der Leistungselektronik und ist prädestiniert für Halbleitermaterialien wie SiC und GaN, die zum Beispiel in Hochvolt-Wechselrichtern in E-Autos oder Mobilfunk-Basisstationen zum Einsatz kommen.
Hybrid-Sinterpaste verbindet Vorteile beider Bond-Verfahren
Für das Haften spricht die einfache Verarbeitung, fürs Sintern die hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Halbleiter-Hersteller suchten lange nach einem dritten Verfahren, das beide Vorteile vereint und gleichzeitig eine hohe Robustheit gegen Risse bietet, etwa bei Vibrationen in Fahrzeugen. Dieser goldene Mittelweg sind Hybrid-Sinter-Pasten. Die Basis bildet auch hier ein Klebeharz mit Metallpartikeln. Die Paste wird auf 200 °C bis 250°C erhitzt. Dadurch verbinden sich die Silberpartikel metallisch wie beim Sintern, sowohl untereinander als auch mit Chip und Substrat – das Harz verstärkt die Haftung. Mit bis zu 200 W/m·K reicht die thermische Leitfähigkeit annähernd heran an die von gesintertem Silber. Bild 1 zeigt einen detaillierten Vergleich der drei Verfahren.

Damit ist die Hybrid-Sinter-Paste die „eierlegende Wollmilchsau“. Sie eignet sich sowohl für Logikchips geringer bis mittlerer Leistung wie auch für High-Power-Chips, die bisher nur für gesintertes Silber zugänglich waren. Und sie eignet sich für alles dazwischen: Leistungschips für Automobile oder optische Bauteile wie LEDs in Scheinwerfern. Vor allem aber eignet sich diese Paste für unterschiedliche Trägermaterialien: Sie bondet auf Metallen sowie auf Substraten wie Platinen oder Keramik.
Alle Pasten sind bleifrei
Neben Haften und Sintern und der hybriden Kombination gibt es noch eine dritte, konventionelle Variante, bei der der Chip aufgelötet wird. Das Lot enthält allerdings Blei und erfüllt daher nicht die europäische RoHS-Verordnung. Mittlerweile gibt es auch bleifreies Lot, das aber nicht an die Eigenschaften der beiden oben beschriebenen Prozesse heranreicht und sich deshalb nicht für die Massenfertigung eignet. Tanaka Precious Metals ist es gelungen, alle Pasten für das Chip-Bonding ohne Blei herzustellen, bei gleichzeitig verbesserten thermischen und mechanischen Eigenschaften. Wie schon die Pasten zum Sintern, enthalten auch die Hybrid-Sinter-Pasten bei Tanaka Silberpartikel mit Mikrometer- und Submikrometer-Größe. Das Edelmetall hat von allen Metallen sowohl die höchste elektrische als auch die höchste thermische Leitfähigkeit.
Auswahl der richtigen Pasten
Bei der Auswahl der Pasten kommt es auf die Anwendung an. Tanaka hat derzeit mehr als zehn unterschiedliche Pasten im Angebot, die sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit unterscheiden. Die Haftpasten (ohne Sintern) decken eine Spanne von 2,5 bis 50 W/m·K ab. Die Hybrid-Sinter-Pasten gibt es von 80 bis 200 W/m·K. Und die reinen Sinter-Pasten von 200 bis 240 W/m·K oder mehr.

Die thermische Leitfähigkeit ist nicht die einzige Eigenschaft, auf die der Anwender achten muss. Wichtig sind außerdem Elastizitätsmodul, thermische Ausdehnung, Scherkraft und einige weitere. Zum Teil widersprechen sich diese Eigenschaften. Wenn die Koeffizienten der thermischen Ausdehnung von Chip und Substrat sehr unterschiedlich sind und die Paste ein hohes Elastizitätsmodul hat, kommt es zu hohen internen Spannungen, was zu einer Delamination an den Kontaktflächen oder zur Ausbreitung von Rissen führen kann. Die Hybrid-Sinter-Pasten von Tanaka haben eine spezielle Harzmischung, die Delamination verhindert. Diese Eigenschaften lassen sich für jede Materialkombination und Leistungsklasse passend einstellen. Mit Blick auf Leistungsbausteine aus SiC oder GaN ist die hybride Variante klar im Vorteil. Das hybride Bonding ist hier „gutmütiger“, es vermeidet Risse und sorgt für eine lange Lebensdauer, was gerade bei Anwendungen im Automobil wichtig ist. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit sehr gut.
Druckfähige Pasten für viele Chipformate
Die Hybrid-Sinter-Pasten von Tanaka unterstützen unterschiedliche Chipformate bis zu 7 × 7 mm² und sie können auch gedruckt werden. Damit eignen sie sich sehr gut für die effiziente Massenfertigung mit hoher Präzision. Ein Alleinstellungsmerkmal der Hybrid-Pasten von Tanaka ist, dass sich damit Chips auf Kupferoberflächen bonden lassen. Die Hybrid-Sinter-Pasten von Tanaka eröffnen damit neue Möglichkeiten beim Chip-Bonding. Vor allem die Leistungselektronik profitiert von hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Robustheit und Mensch und Umwelt vom Verzicht auf Blei. (na)