Multichip-Aufbau mit allen Komponenten.

Multichip-Aufbau mit allen Komponenten. (Bild: Fraunhofer ENAS)

Induktives Fügen ist eine Technologie, die bisher vorwiegend nur für makroskopische Bauteile, wie Stahlrohre oder Autotüren, angewendet wird. Nun wurde erstmalig auf Mikroebene ein Bondprozess auf Basis von Sinterpasten mit Mikrosilberpartikeln entwickelt, der die mechanische Flächenkontaktierung von Chips auf DBC-(direct bonded copper)-Substraten ermöglicht. Dabei können vor allem bei der Heterointegration von Chips und Komponenten verschiedenste Vorteile genutzt werden. Das induktive Verfahren ermöglicht ein sehr schnelles Aufheizen gezielter Strukturen zum Beispiel von Bondpads, die bei einer hohen lokalen Temperatur mit dem Bondpartner gefügt werden. Der Temperatureintrag erfolgt vor allem lokal in den Bereichen der Induktionsspulen, sodass die umliegenden Strukturen und Bauteile sowie das gesamte Substrat durch das sehr schnelle Aufheizen und Abkühlen der lokalen Strukturen deutlich geringer thermisch beeinflusst werden.

Infrarot-Aufnahme der induktiven Erwärmung
Infrarot-Aufnahme der induktiven Erwärmung des Multichip-Aufbaus mit Silberpasten-Array auf einem DBC-Substrat. Die Zieltemperatur von 300 °C wird in nur fünf Sekunden erreicht. (Bild: Fraunhofer ENAS)

So funktioniert das Verfahren

Mit Hilfe von Induktionsspulen, die geometrisch an die Bondstrukturen angepasst sind, induziert ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld Wirbelströme in das elektrisch leitfähige Silberpartikel-Pad. Erwärmungsraten von mehr als 100 K/s wurden damit erzeugt. Die gesamte Prozessdauer reduziert sich mit diesem Verfahren entscheidend, da die Zieltemperatur von 300 °C in nur fünf Sekunden erreicht wird. Fügeprozesse von Siliziumchips auf einem DBC-Substrat wurden bereits erfolgreich mit Silbersinterpasten durchgeführt.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde ein Testaufbau bestehend aus einer Prozesskammer mit einem Sintermodul, einer Druckplatte und einer Infrarotkamera zur Prozessüberwachung entwickelt. Im Sintermodul befindet sich eine wassergekühlte Induktionsspule in einem elektrisch isolierenden Umgebungsmaterial. Mittels Prozessüberwachung wird der Spulenstrom und die Arbeitsfrequenz in Echtzeit aufgezeichnet.

Vorteile für die Leistungselektronik

Vor allem für Hersteller von Baugruppen der Leistungselektronik ist dieses Verfahren revolutionär, da die Dauer von Fügeprozessen deutlich verringert und die thermische Beeinflussung aller Fügekomponenten reduziert wird. Die mechanische Kontaktierung durch Silbersinterpasten erlaubt es dabei, die hohe Abwärme der Bauteile schnell und gezielt über die gesinterten Strukturen abzuführen. Das japanische Unternehmen Shinko bietet den Prozess als industrialisiertes Verfahren an und entwickelt den Prozess gemeinsam mit den Projektpartnern der TU Chemnitz und Fraunhofer ENAS kontinuierlich weiter. Bereits im Januar 2022 wurde das Verfahren am Gemeinschaftsstand der Tohoku Universität und dem Fraunhofer ENAS auf der Fachmesse MEMS Sensing & Network Systems in Tokyo vorgestellt.

Christian Hofmann

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer ENAS, Chemnitz

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