Voidarme Lötprozesse

Bild 1: Zunahme der Junction-Temperatur bei Leistungsbauteilen.Infineon

Derzeitige Wachstumstreiber sind die Automobilelektronik und die Industieelektronik, prognostiziert der Fachverband ZVEI [1] auch mit Blick auf „Industrie 4.0″. Forderungen sind unter anderem eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitiger Verringerung der durch die hohen Ströme entstehenden Verlustleistung, eine effiziente Gestaltung der Kühlmaßnahmen und zuverlässige Verbindungstechnologien für Temperaturbelastungen bis 200 °C und höher, bedingt durch die Zunahme der Junction-Temperatur neu entwickelter Leistungsbauteile (Bild 1).

Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines Leistungsmoduls.Seho

Der prinzipielle Aufbau von Leistungsmodulen ist in Bild 2 dargestellt. Auf einem Keramiksubstrat (DCB) mit einer Silber- beziehungsweise Kupfermetallisierung werden die Silizium-Chips direkt aufgebracht. Zur Herstellung des Kontaktes zwischen dem Substrat und der Chipunterseite (Die-Attach), sowie für die Kühlkörpermontage stehen neben dem bleifreien Löten, mehrere alternative Verbindungstechnologien zur Verfügung. Dazu gehören, neben dem Klebeprozess auch das Silbersintern und das Diffusionslöten respektive Diffusionssintern [2]. Die elektrischen Verbindungen von der Chipoberseite zum Substrat werden über Bondprozesse realisiert.

Anforderungen an einen Lötprozess

Erfolgt die Anbindung zwischen Substrat und Chipunterseite durch einen Lötprozess, so besteht die Forderung, dass der Voidanteil in der flächigen Lötverbindung im Bereich von ≤ 3 bis 5 Prozent liegt. Ein höherer Porenanteil kann die Wärmeableitung so beeinflussen, dass sich der thermische Widerstand erhöht, was zu einer Reduzierung der lokalen Entwärmung und zur Entstehung von Hot-Spots führt. Gerade bei hoch beanspruchten Komponenten steht die Porenreduzierung oder -vermeidung deshalb nach wie vor im Fokus.

Im Reflowprozess lässt sich der Porenanteil durch verschiedene Maßnahmen beeinflussen. Dazu gehören unter anderem eine gute und schnelle Benetzung der Oberflächen, eine Optimierung der Lotpaste, des Schablonen-Layouts oder des Temperatur-Zeit-Profils. Für nahezu porenfreie beziehungsweise porenarme Lötverbindungen sind jedoch zusätzliche Prozesse gefragt. Um Poren zu entfernen ist eine Differenz zwischen dem Druck innerhalb der Pore und der Umgebung notwendig [3]. Zur Lösung dieser Aufgabe eigenen sich zwei Löttechnologien: das Vakuumlöten und das Überdrucklöten. Beim Vakuumlötprozess [4] [5] werden die Gas- und Flussmitteleinschlüsse aus der Verbindung herausgesaugt, solange das Lot noch flüssig ist. Der Druckbereich liegt bei zwischen 0,1 bis 0,01 bar. Zum Heizen und Kühlen wird Infrarotstrahlung oder die Dampfphase genutzt. Allerdings weist das Vakuumlöten einige Nachteile auf: So können spezielle Lotpasten erforderlich sein, zudem besteht die Gefahr von Lotspritzern. Auch ist der Prozess nicht für alle Bauelemente geeignet, so dass der Durchlaufprozess unterbrochen werden muss. Zusätzlich besteht ein hoher mechanischer Aufwand.

Alternative: Überdrucklöten

Bild 3: Reflowanlage mit integrierter Druckkammer.Seho

Das gleiche Prinzip wie beim Vakuumlöten lässt sich auch bei höheren Drücken anwenden. Wenn die Pore in der Lötverbindung im Überdruck entsteht, kann der normale Atmosphärendruck ausreichen, um das eingeschlossene Gas zu entfernen. Basierend auf dieser Annahme wurde bei Seho Systems das Überdrucklöten als neues Lötverfahren für porenarme Lötverbindungen entwickelt. In der Überdruck-Reflowanlage (Bild 3, [6]) entspricht der Vorheizbereich einer herkömmlichen Konvektionsanlage und verfügt über sechs Zonen. Die Druckkammer ist so aufgebaut, dass sich die Gaskonvektion zur Baugruppenerwärmung nutzen lässt. Dadurch ist es möglich, konventionelle Komponenten zu verwenden. Auch erlaubt die Technik eine problemlose Gestaltung üblicher Temperaturprofile. Die Kammer ist bei einem Gesamtvolumen von 240 l für einen Überdruck von maximal 4,2 bar ausgelegt.

Bild 4: Prozessablauf beim Überdrucklöten – schematisch.Seho

Der Druckaufbau erfolgt mit Stickstoff oder Druckluft und wird über ein Magnetventil gesteuert. Die Anlage lässt sich ohne Aktivierung der Druckkammer auch als Standard-Reflowötanlage betreiben. Zudem ist es möglich, das verwendete Gas zur Druckerzeugung nach dem Prozess für die Flutung der Vorheizzone zu verwenden. Somit ist der Verbrauch nicht wesentlich höher als bei herkömmlichen Anlagen. In Bild 4 ist der prinzipielle Prozessablauf beim Überdrucklöten beschrieben. Nach dem Aufheizen, also wenn das Lot bereits flüssig ist, wird erstmals Druck aufgebracht. Kurz vor der Peaktemperatur wird der Druck abgelassen und anschließend das flüssige Lot nochmals mit Druck beaufschlagt, bevor nach der Erstarrung der Druck abgelassen wird.

Bild 5: Lötergebnis beim Überdrucklöten in Abhängigkeit der gewählten Druckparameter.Seho

Umfangreiche Untersuchungen zum Überdrucklöten haben gezeigt, dass das Temperatur-Druckprofil einen maßgeblichen Einfluss auf das Lötergebnis hat, was am Beispiel von verlöteten LED-Chips auf Leiterplatten verdeutlicht wird (Bild 5). Mit steigendem Druck und zweimaliger Druckentlastung lässt sich der Porenanteil in einer flächigen Lötverbindung gegenüber einem Standard-Reflowprozess erheblich reduzieren. Die besten Ergebnisse werden erreicht, wenn der Druck von Beginn des Lötprozesses bis zum Erstarren des Lotes vorhanden ist und beim Erreichen der Peaktemperatur ein kurzes Absenken auf Normaldruck erfolgt (Bild 6).

Bild 6: Einfluss des Temperatur-/Druckprofils auf die Voidbildung in einer flächigen Lötverbindung.Seho

Durch eine Optimierung der Prozessparameter lässt sich somit eine mit dem Vakuumlöten vergleichbare Qualität erreichen. Ein Vorteil des Überdrucklötens gegenüber dem Vakuumlöten ist, dass sich der Prozess nahezu spritzerfrei durchführen lässt, was wahrscheinlich auf den Wegfall eines schlagartigen Verdampfens von Flussmittel bei Unterdruck zurückzuführen ist. Dadurch bedingt sind im Randbereich um die Leistungshalbleiter nur geringe Flussmittelrückstände vorhanden. Zusätzlich bleiben die oberseitigen Pads sauber, wodurch ein Reinigungsprozess vor dem Bonden eingespart werden kann [7].

Vielversprechend: Silber-Sintertechnologie

Bild 7: Anlagenkonzept: Fertigungslinie für das Drucksintern.Seho

Als vielversprechende Lösung gilt die Silber-Sintertechnologie [8]. Beim Sinterprozess wird ein poröser Festkörper – im vorliegenden Fall die Sinterpaste – unter Temperatur und Druck verfestigt und verdichtet. Für zuverlässige Verbindungen in der Leistungselektronik ist eine dichte und möglichst porenfreie Sinterschicht mit einer stabilen Anbindung an die Metalloberflächen der Substrate und Bauteile gefordert. Die Temperaturen für den Sinterprozess bewegen sich im Bereich von 250 bis 280 °C, der Druckbereich liegt zwischen 10 MPa bis maximal 25 MPa. Bedingt durch den hohen technischen Aufwand beim Drucksintern und der bestehenden Gefahr, dass Substrate und Chips beschädigt werden, ist das Ziel ein druckloser Sinterprozess. Durch die Weiterentwicklung der Sintermaterialien [9] ließen sich hier inzwischen erhebliche Fortschritte erzielen. Bei der Verarbeitung ohne Druck sind Temperaturen von mindestens 220 °C und Zeiten von bis zu 30 min notwendig. Auch unter optimierten Bedingungen lässt sich eine Restporosität derzeit noch nicht vermeiden. Für den Sinterprozess wurde bei Seho ein Anlagenkonzept entwickelt, bei dem ein Druck-Sinter-Modul in eine Produktionslinie integriert wird (Bild 7).

Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts „ProPower“ wurden unter anderem der Prozess und entsprechende Materialen für das Silbersintern von Leistungshalbleitern wie IGBTs und Dioden auf DCB-Substraten entwickelt. Diese Verbindungen unterscheiden sich signifikant von konventionellen Lötverbindungen: eine Sinterschicht zeigt nur minimales Kriechverhalten und altert somit fast gar nicht. Erste Zuverlässigkeitsuntersuchungen ergaben Ausfallraten nach Temperaturzyklen, die um mehr als eine Zehnerpotenz über der von Weichlotverbindungen liegt. Das Versagen erfolgt nicht in der Verbindungsschicht sondern an deren Grenzflächen. Die zulässige Einsatztemperatur liegt bei 200°C und mehr, somit lässt sich das Effizienzpotential von SiC- und GaN-Halbleitern wirklich ausnutzen. Weitere Entwicklungen zur Substitution des teuren Silbers durch Kupfer laufen aktuell zum Ende des Projekts.

Eine entsprechende Produktionslinie für das Drucksintern ist für den Anwender erhältlich. Sie realisiert den thermischen Prozess Vortrocknen der Sinterpaste, das Die-Bonden, das Erwärmen auf Sintertemperatur (230 bis 250 °C), das Drucksintern in einer Hydraulikpresse (bis 25 MPa) und das kontrollierte Abkühlen auf Raumtemperatur. Der gesamte Prozess lässt sich unter Schutzgas durchführen. Bei der Bearbeitung der Produkte im Werkstückträger wird ein entsprechendes Handling realisiert. Im Rahmen von „ProPower“ wurde auch das drucklose respektive druckarme Sintern entwickelt. Es eignet sich für geringere Anforderungen an die Porenfreiheit und somit geringere thermische und elektrische Performance (etwa für LED-Anwendungen in der Beleuchtungstechnik). Hier kommt man ohne den aufwendigen Pressvorgang aus, es sind jedoch deutlich längere Prozesszeiten erforderlich.

Diffusionslöten – bleifreie Verbindungstechnik

Bild 8: Standard-Lötverbindung (oben) und IMP-Lötverbindung (unten).Seho

Diffusionslöten (Solid-Liquid-Interdiffusion) [10] ist eine bleifreie Verbindungstechnologie auf der Basis des Prinzips der isothermen Erstarrung. Eine niedrig schmelzende Lotschicht, die zwischen zwei hochschmelzenden Metallschichten oder Substraten platziert ist, wird erhitzt und reagiert rasch unter Ausbildung intermetallischer Verbindungen (Bild 8). Diese weisen, im Vergleich zum niedrig schmelzenden Lot, einen erheblich höheren Schmelzpunkt auf, was zu einer Erhöhung der Stabilität dieser Verbindungen gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen zur Folge hat.

Bild 9: Schnittansicht einer HotPowCon-Fügeschicht mit durchgängiger intermetallischer Phase.Seho

Die Herstellung einer Diffusionslötschicht lässt sich über unterschiedliche Wege realisieren. Dabei kommen Standardlotpasten zum Einsatz und die vollständige Umwandlung der flüssigen Phase in intermetallische Verbindungen erfolgt während des Lötprozesses. Da der Diffusionsprozess zeit- und temperaturabhängig ist, können allerdings nur sehr dünne Lotschichten (≤ 10 µm) zur Anwendung kommen, um eine vollständige Umwandlung des Lotes mit akzeptablen Durchlaufzeiten in einem Fertigungsprozess zu erreichen oder es ist ein zusätzlicher, nachgeschalteter Temperprozess nötig. Die zweite Variante ist die im Rahmen des jetzt abgeschlossenen BMBF-Projektes „HotPowCon“ entwickelte Lotpaste [11], die bereits Kupferpartikel enthält, um das Kupferangebot im Lot zu erhöhen. Ziel ist hier, dass die Kupferpartikel homogen im Lotspalt verteilt und mit Lot umschlossen sind. Das Lot wandelt sich dann während des Prozesses vollständig in intermetallische Phasen um (Bild 9). Weiterhin ist ein sehr geringer Porenanteil gefordert.

Bild 10: Druck-Temperatur-Profil für Diffusionslötverbindungen und Querschliff durch eine Verbindung.Seho

Zur Realisierung der beschriebenen Varianten ist es allerdings unabdingbar, auf der Basis eines Standard-Reflowprozesses anlagentechnische Maßnahmen zu ergreifen. Bei Verwendung einer Standardlotpaste ist eine Verlängerung der Lötzeit im Peakbereich und eine Option für eine thermische Nachbehandlung notwendig. Bei Peaktemperaturen von bis zu 260 °C und einer anschließenden Temperung bei 200 °C liegen die Prozesszeiten für eine Lotschichtdicke von 20 µm bei rund 30 min. Hier haben Untersuchungen im Rahmen des Projektes „Pro Power“ [12], bei denen IGBTs auf DCB-Substrate aufgebracht wurden, gezeigt, dass eine Drucküberlagerung während des Reflowprozesses (Bild 10) die Ausbildung der Diffusionslötschicht positiv beeinflusst. Neben einer beschleunigten Phasenbildung kommt es zu einer Reduzierung der Poren und die üblicherweise auftretende Chipverwölbung lässt sich verhindern.

Bild 11: Temperatur-/Zeit-Profil für den HotPowCon-Prozess (schematisch).Seho

Für eine HotPowCon-Schicht (HPC) wurden folgende Anforderungen an den Verbindungsprozess erarbeitet [13]: Aufwärmen des Schaltungsträgers auf die Reduktionstemperatur (190 °C bis 200 °C), konstantes Verweilen bei der Reduktiontemperatur, Aufheizen auf Peaktemperatur, Abkühlen (Bild 11). Während der Reduktion sollte eine gasförmige Aktivierung mit Ameisensäure möglich sein. Da nachgewiesen werden konnte, dass durch eine Druckbeaufschlagung auch in HPC-Schichten eine Reduzierung der Porosität zu erreichen ist, ist eine Überdruckkammer, wie eingangs beschrieben, vorzusehen. Weiterhin sollte der gesamte Prozess unter Schutzgasatmosphäre ablaufen.

Um lange Aktivierungszeiten, bei akzeptablen Durchlaufzeiten, realisieren zu können, wurde von Seho ein Paternoster-System entwickelt, das mit einem Kettenförderer ausgestattet ist, sodass es möglich ist, bis zu 50 Baugruppen gleichzeitig, nach dem FIFO-Prinzip, zu stapeln und zu behandeln. Dieses System kann auch für die thermische Nachbehandlung beim Diffusionslöten oder für einen drucklosen Sinterprozess verwendet werden, um zu einer Reduzierung der Prozesszeiten zu kommen.

(mrc)