Leistungshalbleiter, welcher durch Sintern statt durch Löten mit dem Leadframe verbunden wird, um im Betrieb höhere Leistung und Effizienz zu ermöglichen. Für die Bestückung der Teile braucht es zuverlässige Anlagen mit genau kontrollierbaren Prozessabläufen. (Bild: Infotech)
Im Zuge der Energiewende und insbesondere in der aktuellen Situation der Energieknappheit gewinnt der effiziente Umgang mit elektrischer Energie zunehmend an Bedeutung. Im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien und Elektromobilität nimmt dabei die Energieumwandlung eine Schlüsselrolle ein. Ob beim Umrichten von Strom aus Solaranlagen oder beim Antrieb von Elektrofahrzeugen: Überall dort, wo Strom in eine andere Form umgewandelt wird, soll dies möglichst verlustfrei geschehen.
Im Streben nach höherer Effizienz beim Umrichten von elektrischer Energie kommen immer häufiger Leistungstransistoren aus Siliziumkarbid (SiC) statt aus Silizium (Si) zur Anwendung. Diese bieten einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Leistungsdichte, da sie bis zu deutlich höheren Arbeitstemperaturen eingesetzt werden können als klassische Silizium-Transistoren. Durch die damit gewonnene Leistungsfähigkeit wird die Lotverbindung mit ihrer limitierten Temperaturbeständigkeit zu einem Flaschenhals, der die maximale Leistung einschränkt.
Die niedrige Liquidustemperatur, welche für den Lötprozess noch von Vorteil ist, stellt sich im Betrieb mit Maximalströmen hingegen als limitierend heraus. Lange andauernde Arbeitstemperaturen nahe dem Schmelzpunkt führen zu Versprödung der Lotverbindung. Die damit verbundene schnellere Ermüdung des Materials kann zu Fehlern oder zum Ausfall von Elektronikkomponenten führen.
Das sind die Vorteile von Sintern
Im Gegensatz zu gelöteten Verbindungen, bleiben Gesinterte in deutlich niedrigeren homologen Temperaturen, wodurch sie mechanisch stabiler sind und keine Versprödungen auftreten. Neben dem Effizienzgewinn und den höheren Leistungserträgen steht somit auch die enorm hohe Zuverlässigkeit von gesinterten Bauteilen im Fokus. Deshalb wird insbesondere auch im schnell wachsenden Elektromobilitätssektor immer mehr auf die Sintertechnologie gesetzt.
Sinterpastendosierung im Video
Um das volle Potenzial aus der Leistungselektronik herauszuholen, empfiehlt sich ein Verbindungsmaterial mit deutlich höherem Schmelzpunkt. Damit kann während des Betriebs dessen homologe Temperatur, also die Temperatur relativ zur Schmelztemperatur, niedrig gehalten werden. Damit ist Löten als Verbindungstechnologie nicht mehr geeignet, da deutlich höhere Prozesstemperaturen erforderlich wären, um die die entsprechende Liquidustemperatur eines entsprechenden Lotmaterials zu erreichen.
Sintern als Alternative zum Löten
Eine gute Alternative bietet hier das Sintern als Verbindungstechnologie. Dabei kommt statt Lot-Paste oder -Preform eine dünne Schicht aus Nano- bis Mikro-Silberpartikeln zwischen die Leiterplatte und den Halbleiterchip (Abbildung 1). Im Gegensatz zum Lötprozess wird hier beim Fügen das Verbindungsmaterial nie in die Flüssigphase überführt, sondern es wird in einer sogenannten Sinterpresse bei erhöhter Temperatur (240-280°C) zusammengepresst. Durch das Bestreben zur Minimierung der Oberflächenenergie wachsen die Silberpartikel auf atomarer Ebene zusammen, indem sich Kristallstrukturen gegeneinander ausrichten. Es entsteht eine stabile Schicht, welche eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen Halbleiter-Die und Substrat herstellt.
Vorbereitende Prozesse für das Sintern
Während der eigentliche Sintervorgang in spezialisierten Sinterpressen erfolgt, sind bereits die Vorbereitungsprozesse zentral für den Erfolg dieser Verbindungstechnologie. Je nach Anwendung führen hierbei verschiedene Wege zum Ziel. Die Applikation der Sinterschicht kann erfolgen durch Aufdrucken oder Dosieren von Sinterpaste auf das Substrat, oder aber durch das Benetzen der Halbleiter-Kontaktfläche in einem Laminiervorgang (Abbildung 2). Anschließend wird der Halbleiter-Die in einer Bestückungsanlage auf das Substrat bestückt. In diesem Zusammenhang spricht man von Tacking, also vom Platzieren und temporären Verbinden des Halbleiters mit dem Substrat. Hierbei wird bei den meisten gängigen Produkten Hitze und eine gewisse Anpresskraft benötigt, um diese Verbindung herzustellen.
Neben der präzisen Platzierung des Halbleiter-Dies sind somit auch eine genaue Kraft- und Temperaturregelung, sowohl des Substrats als auch des Halbleiters, entscheidend für ein zuverlässiges Tacking (Pre-Sintering) (Abbildung 3).
Warum sich Silbern als Verbindungsmaterial beim Sintern eignet
Silber als Verbindungsmaterial bietet sich an durch seine hohe Schmelztemperatur (961°C) und gleichzeitig niedrige Sintertemperatur (<300°C), wodurch der Sinterprozess für die verwendeten Komponenten gut verträglich ist. Durch seine exzellente elektrische Leitfähigkeit hilft Silber außerdem, den elektrischen Widerstand in der Verbindungsschicht und damit die Verlustleistung zu minimieren. Zudem begünstigt die ebenfalls hervorragende thermische Leitfähigkeit ein schnelles Abführen der Wärme vom Halbleiter-Die.
Individuelle Lösungen für optimierte Sinteranwendungen
Die Schweizer Firma Infotech in Solothurn entwickelt Sinter-Bonder-Anlagen für das vollautomatische Bestücken von Sinterbaugruppen. Diese bieten ein großes Spektrum an Möglichkeiten, vom Tacken der Dies auf vorgedruckte Sinterschichten, über direktes Dosieren von Sinterschicht auf der Anlage (Abbildung 4), bis hin zum Laminieren der Dies mit Sinterfilm. Dabei lassen sich die Halbleiter-Komponenten auf verschiedenen Systemen zuführen: aus Waffle Feedern, Tape-and-Reel oder direkt ab Wafer. Neben dem sachgerechten Die-Handling ermöglichen genau regelbare Parameter wie Geschwindigkeit, Kraft und Prozesstemperatur eine hohe Prozessstabilität.
Zusätzlich zu individuell zugeschnittenen Bestückungsanlagen bietet Infotech ein tiefes Prozess-Know-How und unterstützt Kunden beim Optimieren der Prozesse auf der Anlage, um das Optimum aus dem Sinterprozess herauszuholen. Durch eine enge Zusammenarbeit mit namhaften Sinterpressen-Herstellern und Sintermateriallieferanten werden die Technologie und das Know-How ständig auf dem neuesten Stand gehalten.
Von der Laboranlage bis zur Produktionslinie für das Sintern
In den Anlagen von Infotech steckt Erfahrung beim Handling und der Verarbeitung von Halbleitern und DBC-Leiterplatten. Das Kernelement jeder Anlage ist der kartesische Bestückungsroboter. Er ermöglicht – unterstützt durch intelligente Vision-Systeme – hochpräzise und dynamische Pick-and-Place-Prozesse. Ergänzt wird dieser je nach Bedürfnis mit diversen Zusatzmodulen aus der Infotech Komponentenmatrix.
Die reinraumtauglichen und ESD-sicheren Anlagen reichen von kleinen Desktopanlagen (Abbildung 5), optimiert für Entwicklung und Laboranwendungen, über Fertigungszellen (Abbildung 6) für Hochvolumenproduktion bis zu kompletten Fertigungslinien. Der einheitliche Grundaufbau und Software ermöglicht eine Skalierung der Produktion.
Process Engineer bei Infotech
