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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Gütebestimmung vorzugsweise einer Sinterpastenschicht, sowie eine Vorrichtung hierzu. Im Weiteren soll unter einer Sinterpastenschicht Nachfolgendes verstanden werden. Durch Aufbringen einer Sinterpaste, also einer Mischung aus Sintermetallpartikeln und einem Lösungsmittel, auf einem Verbindungspartner liegt eine feuchte Sinterpastenschicht vor. Nach einem Trocknungsprozess, vorzugsweise durch Temperaturbeaufschlagung, bei dem eine gewisse Menge des Lösungsmittels ausgetrieben wird, liegt eine teilgetrocknete Sinterpastenschicht vor. Vorzugsweise durch Druckbeaufschlagung mit einem geeigneten Druck auf eine teilgetrocknet oder vollständig getrocknete Sinterpastenschicht wird diese in eine teilversinterte Sinterpastenschicht überführt. Diese Druckbeaufschlagung kann auch unter zusätzlicher Temperaturbeaufschlagung erfolgen. Unter einer Sinterpastenschicht wird hier also eine Schicht verstanden, die als eine feuchte, teil- oder vollständig getrocknete oder teilversinterte Sinterpastenschicht ausgebildet ist, es wird hierunter allerdings keine Sintermetallschicht verstanden die vollständig versintert ist.
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Die
DE 10 2014 103 013 A1 offenbart das Erzeugen einer getrockneten Pastenschicht auf einem Fügepartner. Hierzu wird ein Fügepartner mit einer Kontaktfläche bereitgestellt, auf die eine Paste aufgetragen ist. Weiterhin wird eine Heizeinrichtung bereitgestellt, die auf eine Vorheiztemperatur vorgeheizt ist. Die auf die Kontaktfläche aufgetragene Paste wird dann während einer Trocknungsphase getrocknet, so dass aus der Paste eine getrocknete Pastenschicht entsteht. In der Trocknungsphase weisen der Fügepartner und die vorgeheizte Heizeinrichtung einen Abstand von höchstens 5 mm auf.
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Die
DE 10 2017 113 153 A1 offenbart eine elektronische Komponente, die einen elektronischen Chip und ein sinterbares Verbindungsmaterial aufweist, das einem Trocknungsvorgang unterzogen wurde und das auf, oder über zumindest einem Teil einer Hauptoberfläche des elektronischen Chips freiliegt.
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Die
EP 1 223 611 A1 offenbart eine Einrichtung für das Auflöten von Halbleiterchips auf ein Substrat, das eine Lotstation zum Aufbringen einer Lotportion auf das Substrat und eine Bondstation zum Platzieren eines Halbleiterchips auf der Lotportion aufweist. Für die Charakterisierung der Qualität der Lötportion, ist ein induktiver Sensor vorhanden, der mindestens ein Signal erzeugt, das von der Verteilung der Lotportion auf dem Substrat bzw. der Form der Lotportion abhängig ist.
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Die
DE 10 2014 103 013 A1 offenbart das Erzeugen einer getrockneten Pastenschicht auf einem Fügepartner. Hierzu wird ein Fügepartner mit einer Kontaktfläche bereitgestellt, auf die eine Paste aufgetragen ist. Weiterhin wird eine Heizeinrichtung bereitgestellt, die auf eine Vorheiztemperatur vorgeheizt ist. Die auf die Kontaktfläche aufgetragene Paste wird dann während einer Trocknungsphase getrocknet, so dass aus der Paste eine getrocknete Pastenschicht entsteht. In der Trocknungsphase weisen der Fügepartner und die vorgeheizte Heizeinrichtung einen Abstand von höchstens 5mm auf.
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In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Güte, insbesondere die Abriebfestigkeit oder die Stärke der Verbindung von Sintermetallpartikeln untereinander, oder den Gehalt an Lösungsmittel, in einer Sinterpastenschicht oder die Güte einer Sintermetallschicht zu bestimmen und eine Vorrichtung hierfür anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Gütebestimmung einer Sinterpastenschicht oder einer Sintermetallschicht mit den folgenden Verfahrensschritten:
- a) Flächiges Aufbringen einer feuchten Sinterpaste auf einem Verbindungspartner, wodurch eine feuchte Sinterpastenschicht erzeugt wird; der Verbindungspartner kann hier beispielhaft ein Substrat, ein Leistungshalbleiterbauelement oder ein Anschlusselement eines Leistungshalbleitermoduls sein.
- b) Trocknen der feuchten Sinterpastenschicht und Überführen in eine, zumindest teilgetrocknete, Sinterpastenschicht oder in eine Sintermetallschicht;
- c) Bewegen eines Prüfmittels 4 entlang eines Bewegungsprofils mit einer Hauptbewegungsrichtung parallel zur Oberfläche und erzeugen eines Grabens in der Sinterpastenschicht oder in der Sintermetallschicht mit einer mittleren ersten Tiefe und Messen der zu dieser Bewegung notwendigen Kraft;
- d) Bestimmen der Güte der Sinterpastenschicht oder der Sintermetallschicht basierend auf der Messung der Kraft.
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Im Anschluss an den Verfahrensschritt b) kann noch Druck auf die Sinterpastenschicht ausgeübt werden, was zu einer teilversinterten Sinterpastenschicht führt. Das Verfahren kann also sowohl für teilgetrocknete, wie auch für teilversinterte Sinterpastenschichten angewendet werden. Ebenso kann das Verfahren für Sintermetallschichten, auch derartige, die die aus Sinterpastenschichten mit Nanopartikeln erzeugt wurden, angewendet werden.
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Bei Sinterpastenschichten kann zu Beginn oder während des Verfahrensschritts c) das Prüfmittel ein- oder mehrmalig bis auf die Oberfläche des Verbindungspartners abgesenkt werden und anschließend auf eine jeweilig zweite Tiefe angehoben werden. Hierdurch kann bei bekannter Schichtdicke der Sinterpastenschicht auf einfach Art und Weise die Eindringtiefe des Prüfmittels festgelegt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die mittlere erste Tiefe zwischen 10% und 95%, bevorzugt zwischen 30% und 90% und besonders bevorzugt zwischen 50% und 80% einer Dicke der Sinterpastenschicht beträgt. Die besonders bevorzugte erste Tiefe wird meist empirisch bestimmt und ist unter anderem von der Dicke der Sinterpastenschicht abhängig, wobei diese Dicke typische Werte zwischen 5µm und 120µm aufweist. Bei dünneren Sinterpastenschichten ist meist ein größere relative erste Tiefe sinnvoll, um Oberflächeneffekte nicht zu stark bei der Bestimmung der Güte der Sinterpastenschicht zu berücksichtigen.
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Bei Sintermetallschichten ist es vorteilhaft, wenn die die mittlere erste Tiefe zwischen 0,2% und 10%, bevorzugt zwischen 0,5% und 5% einer Dicke der Sintermetallschicht beträgt.
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Es kann bevorzugt sein, wenn das Prüfmittel während des Verfahrensschritts c) in einer konstanten aktuellen Tiefe parallel zur Oberfläche bewegt wird oder wobei das Prüfmittel derart bewegt wird, dass die Tiefe periodisch, bevorzugt sinusförmig, variiert wird oder dass die aktuelle Tiefe monoton oder streng monoton variiert wird. Die aktuelle Tiefe ist hierbei die Eindringtiefe des Prüfmittels, genauer dessen der Oberfläche des Verbindungspartners zugewandtes Ende, während des Verfahrens entlang des Bewegungsprofils.
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Es ist insbesondere bevorzugt, wenn zur Bestimmung der Güte mindestens einer der folgenden Parameter, Maximalwert der Kraft zur Durchführung der Bewegung oder Mittelwert der Kraft zur Durchführung der Bewegung oder Effektivwert der Kraft zur Durchführung der Bewegung oder mittlere Frequenz der Kraftänderung während der Durchführung der Bewegung oder Effektivwert, auch als RMS-Wert bekannt, der Amplitude der Kraftänderung während der Durchführung der Bewegung herangezogen wird. Vorzugsweise wird zumindest einer dieser Parameter direkt herangezogen, d.h. er fließt unmittelbar in die Bestimmung der Güte ein.
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Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn die Güte anhand empirisch ermittelter Grenzwerte bestimmt wird. Insbesondere betrifft dies natürlich die oben genannten Parameter oder die diesen zugrunde liegenden Messwerte.
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Typisch, aber im Grunde nicht einschränkend, beträgt die Dicke der Sinterpastenschicht oder der Sintermetallschicht zwischen 5µm und 120µm, bevorzugt zwischen 20µm und 100µm und ein Verfahrweg des Prüfmittels parallel zur Oberfläche zwischen 0,1mm und 5mm, bevorzugt zwischen 0,2mm und 2mm beträgt.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Ausführung des oben genannte Verfahrens mit einem Prüfmittel, das in Normalenrichtung der Oberfläche der teilgetrockneten Sinterpastenschicht oder der Sintermetallschicht verfahrbar ist, das parallel zur Oberfläche der teilgetrockneten Sinterpastenschicht oder der Sintermetallschicht verfahrbar ist, das dazu ausgebildet ist die Kraft während des Verfahrens entlang eines Bewegungsprofils in Hauptbewegungsrichtung parallel zur Oberfläche der Sinterpastenschicht oder der Sintermetallschicht kontinuierlich oder quasikontinuierlich zu messen.
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Vorzugsweise ist das Prüfmittel als eine Prüfspitze ausgebildet, wobei diese einen typischen Durchmesser im Bereich von einigen zehn Mikrometern aufweist.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale mehrfach in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet oder in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhanden sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, unabhängig davon ob sie in Zusammenhang mit dem Verfahren oder mit der Vorrichtung genannt sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 bis 5 zeigen den Ablauf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 6 zeigt Messwerte des erfindungsgemäßen Verfahrens der Bestimmung der Güte verschiedener Sinterpastenschichten.
- 7 zeigt verschieden beispielhafte Bewegungsprofile im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 bis 5 zeigen den Ablauf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt ist ein Verbindungspartner 2, beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit, eine Leiterbahn eines leistungselektronischen Substrats, die dafür vorgesehen ist auf Ihr ein Leistungshalbleiterbauelement mittels einer Sinterverbindung anzuordnen. Dieser Verbindungspartner 2 weist eine Oberfläche 20 auf, auf der mittels eines Abscheideverfahrens eine feuchte Sinterpaste angeordnet wurde.
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Im Nachgang hierzu wurde diese so entstandene feuchte Sinterpastenschicht mittels Temperatureinwirkung teilgetrocknet, d.h. es wurde das ursprünglich vorhandene Lösungsmittel zu einem wesentlichen Teil, hier beispielhaft zu ca. 90% aus der Sinterpastenschicht 3 ausgetrieben, hier kann sogar eine Teilversinterung bereits eingesetzt haben. Übrig geblieben ist die in 1 dargestellte teilgetrocknete Sinterpastenschicht 3, die auf der dem Verbindungspartner 2 abgewandten Oberseite eine Oberfläche 30 aufweist, die hier parallel zur Oberfläche 20 des Verbindungspartners 2 angeordnet ist. In anderen Worten weist die teilgetrocknete Sinterpastenschicht 3 eine homogene Dicke 50, vgl. 3, auf. Weiterhin weist die Oberfläche 30 der teilgetrockneten Sinterpastenschicht 3 eine Normalenrichtung 300 auf.
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Gemäß 1 wird ein Prüfmittel 4, hier eine Prüfspitze, in negativer Normalenrichtung 300 der Oberfläche 30 der teilgetrockneten Sinterpastenschicht 3 auf die Sinterpastenschicht 3 zu bewegt 60 und dringt dann senkrecht zur Oberfläche 30 in diese ein.
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Gemäß 2 dringt die Prüfspitze 4 bis zur Oberfläche 20 des Verbindungspartners 2 in die teilgetrocknete Sinterpastenschicht 3 ein. Im Anschluss daran wird die Prüfspitze 4 wieder angehoben 62. Die Prüfspitze 4, genauer natürlich deren der Oberfläche 20 des Verbindungspartners 2 zugewandtes Ende befindet sich jetzt, vgl. 3, in einer zweiten Tiefe 54 der teilgetrockneten Sinterpastenschicht 3.
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Gemäß 3 und 4 wird die Prüfspitze 4 anschließend senkrecht zur Normalenrichtung 300 der Oberfläche 30 der teilgetrockneten Sinterpastenschicht 3 bewegt 64. Hierbei entsteht ein Graben 32 mit einem Grabenboden 320 und neben diesem Graben 32 Aufwerfungen 322 aus Sinterpaste. Die Bewegung erfolgt hierbei gegen den Widerstand der Sinterpaste, wobei eine Kraft für die Durchführung der Bewegung aufgewendet werden muss.
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Gemäß 5 wird die Prüfspitze 4 nach der, bereits zu 4 beschriebenen, Bewegung 64 senkrecht zur Normalenrichtung 300, in Normalenrichtung 300 angehoben 66 und die Messung beendet.
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Während der Bewegung der Prüfspitze 4 senkrecht zur Normalenrichtung 300, oder in anderen Worten parallel zur Oberfläche 30 der teilgetrockneten Sintermetallschicht 3 wird die für diese Bewegung notwendige Kraft gemessen.
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6 zeigt Messwerte des erfindungsgemäßen Verfahrens der Bestimmung der Güte verschiedener Sinterpastenschichten. Dargestellt ist der Kraftverlauf der unter 4 und 5 beschriebenen Bewegung.
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Eine erste Kurve 70 zeigt hierbei zum Vergleich den Kraftverlauf bei der Bewegung der Prüfspitze in einer feuchten Sinterpastenschicht. Die zweite Kurve 72 zeigt den Kraftverlauf in einer fast vollständig getrockneten Sinterpastenschicht, mit einer annährend idealen Restkonzentration des Lösungsmittels in der teilgetrockneten Sinterpastenschicht. Diese teilgetrocknete Sinterpastenschicht weist somit eine hervorragende Güte auf. Die dritte Kurve 74 zeigt den Kraftverlauf einer, verglichen mit der zweiten Kurve, teilversinterten und damit nicht mehr die gewünschte Güte für einen definierten Prozessschritt eines Sinterprozesses aufweisenden, Sinterpastenschicht.
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Allgemein kann die Güte einer Sinterpastenschicht oder auch einer Sintermetallschicht je nach Anwendung und Prüfzweck durch die Bewertung unterschiedlicher direkt oder indirekt zugänglicher, zum Teil bereits oben genannter, Parameter bestimmt werden. Ein wesentlicher Grundparameter ist hierbei die zur Bewegung der Prüfspitze notwendig Kraft. Auch können einzelne Parameter für diese Gütebestimmung ausreichen oder aber ein Satz von Parametern kann notwendig oder vorteilhaft sein für die Gütebestimmung. Häufig kann die Güte nur bestimmt werden, indem im Vorfeld die Zielparameter durch empirische Ermittlung festgelegt werden.
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7 zeigt verschieden beispielhafte Bewegungsprofile 600 und deren mittlere erste Tiefe 52 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Güte einer Sinterpastenschicht. Alternativ zur gemäß den 1 bis 5 dargestellten relativ einfachen Bewegung können komplexere Bewegungsprofile 600, die allerdings nach wie vor eine Hauptbewegungsrichtung parallel zur Oberfläche 30 der Sinterpastenschicht 3 darstellen, zu präziseren Messergebnissen führen.
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Hier dargestellt sind fünf bevorzugte Bewegungsprofile:
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Im ersten Bewegungsprofil wird die Prüfspitze bis auf die Oberfläche des Verbindungspartners abgesenkt, im Anschluss nur geringfügig angehoben um dann in einem konstanten Winkel zur Oberfläche der Sinterpastenschicht bewegt zu werden bis die Prüfspitze die Sinterpastenschicht verlässt. Auf diese Weise können Volumeneffekte, die die Güte der Sinterpastenschicht beeinflussen, besser bestimmt werden.
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Im zweiten Bewegungsprofil wird die Prüfspitze bis auf die Oberfläche des Verbindungspartners abgesenkt, im Anschluss bis circa zur Hälfte der Dicke der Sinterpastenschicht angehoben um dann wiederum in einem konstanten Winkel zur Oberfläche der Sinterpastenschicht bewegt zu werden bis die Prüfspitze die Sinterpastenschicht verlässt.
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Im dritten Bewegungsprofil, das grundsätzlich demjenigen in den 1 bis 5 beschriebenen gleicht, wird die Prüfspitze mehrfach und hier in nicht regelmäßigen Abständen bis auf die Oberfläche des Verbindungspartners abgesenkt. Das mehrfach Absenken der Prüfspitze auf die Oberfläche des Verbindungspartners kann insbesondere auch mit dem ersten und zweiten Bewegungsprofil in vorteilhafter Weise kombiniert werden, beispielhaft indem die jeweiligen Bewegungsprofile mehrfach durchlaufen werden.
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Im vierten Bewegungsprofil wird die Prüfspitze im Wesentlichen sinusförmig und relativ zur Oberfläche der Sinterpastenschicht bewegt.
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Im fünften Bewegungsprofile wird die Prüfspitze anfänglich in einer definierten Tiefe parallel zur Oberfläche der Sinterpastenschicht bewegt, danach bis auf die Oberfläche des Verbindungspartners abgesenkt, um anschließend in einer geringeren Tiefe, verglichen zum Beginn der Bewegung, parallel zur Oberfläche der Sinterpastenschicht weiter bewegt zu werden.