DE102013208387A1

DE102013208387A1 - Silber-Komposit-Sinterpasten für Niedertemperatur Sinterverbindungen

Info

Publication number: DE102013208387A1
Application number: DE102013208387.4A
Authority: DE
Inventors: Andrea Feiock; Steffen ORSO; Bernd Hohenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-13
Also published as: WO2014180620A1; US20160121431A1; EP2994265A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine flüssigphasen Sinterzusammensetzung enthaltend niedermolekulare organische Hilfsstoffe, mindestens ein Silbersalz, Silberpartikel und ein weiteres metallisches Vollmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Vollmaterial partikulär vorliegt und Zinn umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigphasen Sinterzusammensetzung enthaltend niedermolekulare organische Hilfsstoffe, mindestens ein Silbersalz, Silberpartikel und ein weiteres metallisches Vollmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Vollmaterial partikulär vorliegt und Zinn umfasst.
Stand der Technik
Moderne Leistungselektronik wird in vielen Bereichen der Technik eingesetzt und ist innerhalb dieser Anwendungen immer höheren Qualitätsansprüchen ausgesetzt. So sind insbesondere die Ansprüche an Ausfallsicherheit und Standzeit der Elemente in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Berücksichtigt man ferner, dass die geforderten Stromstärken in einigen Anwendungen in immer höhere Bereiche verschoben werden, so ergibt sich eine besondere thermische Belastungssituation der Bauelemente. Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn durch die Anwendung hoher Stromstärken eine deutliche Eigenerwärmung der Bauteile verursacht wird und zudem weitere ungünstige Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel durch wechselnde Temperaturen in der Bauteilumgebung, vorhanden sind. Exemplarisch sind an dieser Stelle Steuergeräte im Automobilbereich zu nennen, welche unmittelbar im Motor- oder im Getrieberaum angeordnet sind. Diese Steuergeräte sind einem ständigen Temperaturwechsel ausgesetzt, welcher eine Temperaturdifferenz von bis zu 200°C am Bauteil erreichen kann. Diese Beanspruchungen müssen bei der Auswahl der Fügetechnik der Bauelemente berücksichtigt werden.
Desweiteren ist eine höhere thermische Flexibilität auch in der Konzeption und dem Aufbau von Multi Chip Power Packages (MCPP) gewünscht, wobei die Leistungs-Halbleiter derzeit direkt auf Cu-Stanzgitter bzw. Cu-Wärmesenke gelötet werden. Die verwendeten bleifreien Lote haben hierbei typischerweise einen Schmelzpunkt im Bereich von 220–260°C, welches insgesamt die Einsatztemperatur der Lotverbindung beschränkt. Wünschenswert wäre hier der Einsatz höherer Temperaturen (T_Junction), um den Wirkungsgrad der Bauelemente zu erhöhen.
Diese Umstände führen zu der Designanforderung, dass die elektronischen Bauteile und deren Verbindungsstellen untereinander (respektive einem Trägersubstrat) thermisch belastungs- und ausfallsicher ausgestaltet sein müssen. Üblicherweise erfolgt eine Anbindung der elektronischen Komponenten durch eine Verbindungsschicht. Als eine derartige Verbindungsschicht sind Lotverbindungen bekannt, beispielsweise bleifreie Lotverbindungen aus Zinn-Silber oder Zinn-Silber-Kupfer. Bei höheren Einsatztemperaturen sind bleihaltige Lotverbindungen einsetzbar. Bleihaltige Lotverbindungen sind jedoch durch gesetzliche Bestimmungen aus Gründen des Umweltschutzes hinsichtlich ihrer zulässigen technischen Anwendungen stark beschränkt. Alternativ bieten sich für den Einsatz bei erhöhten, beziehungsweise hohen Temperaturen, insbesondere über 200°C, bleifreie Hartlote an. Bleifreie Hartlote weisen in der Regel einen höheren Schmelzpunkt als 200°C auf.
Einen weiteren Weg zur Erzielung höherer Einsatztemperaturen im Bereich der Leistungselektronik bietet die Verwendung von Silber-Sinterverbindungen. Diese Silber-Sinterverbindungen können zum Fügen elektronischer Bauelemente verwendet werden und erreichen, theoretisch, eine Einsatztemperatur bis hin zum Schmelzpunkt des Silbers (961,8°C). Diese Verbindungen zeichnen sich durch ihre hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aus und erlauben es, dass elektronische Bauelemente bei höheren Temperaturen betrieben werden können, da die Verbindungen nicht aufschmelzen und gleichzeitig mehr Wärme aus dem System abgeleitet werden kann.
Nachteilig an den reinen Silber-Sinterverbindungen hingegen ist, dass recht hohe Sintertemperaturen und/oder Sinterdrücke benötigt werden, um das Gefüge dicht zu sintern und die Materialkosten deutlich höher liegen als bei den anderen Fügetechniken. Diese Faktoren erhöhen die Prozesskosten und schlagen somit natürlich auf die Bauteilkosten durch.
Eine mögliche technische Lösung stellt zum Beispiel die US 2008 0073776 A1 bereit. In diesem Dokument wird eine wärmeableitende Zusammensetzung für mikroelektronische Bauteile beschrieben, welche ein mikroelektronisches Bauelement, einen Hitzeverteiler und ein thermisches Interfacematerial (TIM) aufweist, welches das mikroelektronische Bauelement und den Hitzeverteiler verbindet und die TIM eine gesinterte metallische Nanopaste aufweist.
In einem weiteren Dokument, der WO 2009 012450 A1 , wird hingegen eine Methode zur Befestigung eines Halbleiterbauteils auf einem Substrat mittels einer Sinterpaste beschrieben, welche beschichtete Nanoteilchen aus Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Fe oder deren Legierungen aufweist und derart zu einer Verringerung der Sintertemperatur beitragen kann.
Eine andere Möglichkeit bietet die US 2009 0230172 A1 . Hierin wird ein Halbleiterbauteil mittels einer Sinterpaste auf einem Substrat befestigt. Die Sinterpaste kann aus einem oder einer Kombination mehrerer Metallpulver mit bestimmter Reinheit und definierter Größenverteilung bestehen. Durch den Einsatz von beispielsweise Au-, Ag-, Pt-, oder Pd-Pulver kann eine Reduktion der benötigten Sintertemperaturen erreicht werden.
Desweiteren betrifft die DE 10 2009 000192 A1 einen Sinterwerkstoff mit metallischen, mit einer organischen Beschichtung versehenen Strukturpartikeln. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Dokumentes offenbart, dass nicht-organisch beschichtete, metallische und/oder keramische, beim Sinterprozess nicht ausgasende Hilfspartikel vorgesehen sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sinterzusammensetzung und ein -Verfahren zum Fügen leistungselektronischer Bauteile bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik ausräumen und eine kostengünstige und reproduzierbare Herstellung mechanisch und thermisch stabiler Fügestellen erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sinterzusammensetzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Sinterverfahren gemäß des Anspruchs 11. Die Unteransprüche hingegen geben bevorzugte Ausführungsformen an.
Offenbarung der Erfindung
Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine flüssigphasen Sinterzusammensetzung enthaltend niedermolekulare organische Hilfsstoffe, mindestens ein Silbersalz, Silberpartikel und ein weiteres metallisches Vollmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Vollmaterial partikulär vorliegt und Zinn umfasst, im Vergleich zum Stand der Technik aufgeführten Sinterverbindungen deutlich verbesserte Eigenschaften aufweist. Im Vergleich zu den reinen Silber-Sinterverbindungen, welche partikuläres Silber aufweisen können, führt die Verwendung eines weiteren partikulären Vollmaterials, welches Zinn umfasst, dazu, dass die Materialkosten der Sinterverbindung deutlich reduziert werden können. Desweiteren lassen sich die Prozesskosten signifikant reduzieren, da unter Verwendung zinnhaltigen Vollmaterials geringere Verarbeitungstemperaturen ausreichen um eine dichte Sinterverbindung herzustellen. Der Schmelzpunkt des Zinns liegt deutlich unterhalb des Silber-Schmelzpunktes. Das Silber- und das Zinn enthaltende Vollmaterial kann unter Wärmezufuhr partiell aufschmelzen und durch den partiellen Einbau der Zinn enthaltenden Partikel in die Silberpartikel-Matrix eine eutektische Verbindung ausbilden. Dieser reaktive Sinterschritt ist mit einer drastischen Reduzierung der Schmelztemperatur verbunden. Derart können Schmelztemperaturerniedrigungen bis hinunter zu 221 °C realisiert werden. Diese Sinterverbindungen weisen zudem eine höhere elektrische wie auch thermische Leitfähigkeit, insbesondere im Vergleich zu den im Stand der Technik genannten Lotverbindungen auf. Durch die erfindungsgemäße Sinterzusammensetzung wird außerdem eine Verbindung zwischen Bauteilen geschaffen, welche bedingt durch ihre hohe Schmelztemperatur wesentlich höhere Einsatztemperaturen ermöglicht. Dadurch kann ein höherer Wirkungsgrad der Bauelemente ermöglicht werden.
Weitere Vorteile gegenüber reinen Silber-Sinterverbindungen können sich zudem ergeben durch:

• die Möglichkeit, dass die vorliegenden Partikel lokal und partiell aufschmelzen können, sodass ein flüssigphasen Sinterprozess erhältlich ist. Dies kann die Prozesstemperatur verringern, und hohe Gefüge-Dichten bei schon relativ geringen Sinterdrücken bereitstellen. Gegebenenfalls lässt sich diese Zusammensetzung auch drucklos sintern, welches zu einem geringeren apparativen Aufwand führt.
• die im Vergleich zu Standard-Lotverbindungen nur unwesentlicher Erniedrigung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit der Sinterzusammensetzung, da nur ein Teil des Silbers ausgetauscht wird.
• die Möglichkeit zur Adaption des CTE-Missmatches, ggf. auch durch die Beimengung weiterer Partikel.
• die material- und prozessbedinge Kostenreduktion im Vergleich zu der Verwendung reiner Silber-Sinterverbindungen.

Eine flüssigphasen Sinterzusammensetzung im Sinne dieser Erfindung ist eine Zusammensetzung, welche metallische Vollpartikel aufweist, die im Rahmen eines Sinterprozesses, unter Temperatur- und ggf. unter Druckeinwirkung, partiell aufschmelzen. Durch die Verwendung unterschiedlicher metallischer Vollmaterialien kann es zur Ausbildung von Mischphasen kommen, welche eine niedrigere Schmelztemperatur aufweisen. Durch die flüssige, metallische Phase kann es innerhalb des Sinterprozesses außerdem zur Ausbildung einer besonders innigen Fügestelle zwischen unterschiedlichen Bauteilen kommen. Derart können besonders dichte und mechanisch/thermisch stabile Verbindungen zwischen den Bauelementen erhalten werden.
Die Sinterzusammensetzung kann niedermolekulare organische Hilfsstoffe enthalten. Diese organischen Hilfsstoffe können dabei sowohl flüssig, in Form organischer Lösungsmittel, oder fest, zum Beispiel als Beschichtungsmaterial für die partikulären Vollmaterialien, vorliegen. Die flüssigen organischen Lösemittel können dabei zum Zusammenhalt der Verbindung in Form einer Paste oder zu einem besseren Fließen der Zusammensetzung im Rahmen des Sinterprozesses beitragen. Zudem können diese Mittel die Anhaftung der Zusammensetzung an den Bauelementen verbessern. Weitere niedermolekulare organische Verbindungen, können zum Beispiel in Form niedermolekularer organischer Verbindungen als Beschichtungsmaterial eingesetzt werden. Beispielhaft seien an dieser Stelle Fettsäuren genannt. Weitere mögliche Ausgestaltungen dieser Hilfsstoffe sind beispielsweise in der DE 10 2010 042 702 A1 und der DE 10 2010 042 721 A1 aufgeführt. Als insbesonders niedermolekular im Sinne dieser Erfindung werden organische Verbindungen angesehen, deren Molekulargewicht kleiner oder gleich 1000 g/mol beträgt.
Silbersalze im Sinne der Erfindung sind ionische Verbindungen, welche das Silber in kationischer Form enthalten. Mögliche einsetzbare Silbersalze sind Verbindungen aufweisend Anionen aus der Gruppe der Carbonate, Oxide, Hydroxide oder organischer Anionen.
Silberpartikel sind insbesondere Teilchen, welche sich von einem umgebenden, Medium durch eine feste Phasengrenzfläche unterscheiden. Die Partikel umfassen metallisches Silber und sind gegebenenfalls mit einer Coatingschicht versehen. Die Partikel weisen bevorzugt eine Größe größer oder gleich 0,01 µm und kleiner oder gleich 1000 µm auf. Die Geometrie der Silberpartikel kann kugelförmig, spratzig, plättchenförmig oder gänzlich irregulär sein. Bevorzugt besteht der Kern der Silberpartikel, ohne Berücksichtigung einer Oberflächenbeschichtung, aus elementaren Silber.
Ein metallisches Vollmaterial im Sinne der Erfindung ist ein Material, welches im Wesentlichen ein nicht als Salz vorliegendes partikuläres Metall umfasst. Das Vollmaterial kann im Inneren einen Lochanteil von kleiner oder gleich 5 Vol.-% aufweisen und gegebenenfalls an der Oberfläche durch weitere metallische oder nicht-metallische Bestandteile beschichtet vorliegen.
Partikuläres, Zinn umfassendes Vollmaterial entspricht der Definition eines Vollmaterials im oben genannten Sinne, unter der Maßgabe, dass das metallische Vollmaterial in Form von Partikeln vorliegt und Zinn in elementarer Form oder als in Form einer Legierung umfasst. Der Gewichtsanteil des Zinns am Zinn enthaltenden partikulären Vollmaterial ist variabel und kann größer oder gleich 2,5 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 5 Gew.-% und besonders bevorzugt größer oder gleich 7,5 Gew.-% betragen. Die Gewichtsanteile der Metalle im Vollkörper lassen sich entweder nasschemisch oder über eine geeignete Kalibrierung mittels einer Röntgenanalyse (Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)) quantitativ bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das partikuläre, Zinn umfassende Vollmaterial in der flüssigphasen Sinterzusammensetzung kugelig, spratzig oder plattenförmig vorliegen. Diese Geometrien des Zinn umfassenden Vollmaterials haben sich zum Erhalt einer dichten Sinterverbindung als besonders geeignet erwiesen. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein kann sich dies insbesondere aus einer vereinfachten Legierungsbildung dieser Partikel-Geometrien zwischen den Silber- und den Zinn umfassenden Vollmaterial im Rahmen des Sinterprozesses ergeben.
In einer alternativen Ausführungsform der flüssigphasen Sinterzusammensetzung kann der Anteil des partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterials an der Sinterzusammensetzung größer oder gleich 0,1 Vol-% und kleiner oder gleich 50 Vol-% betragen. Dieser Volumenanteil des Zinn umfassenden Vollmaterials an der gesamt Sinterzusammensetzung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Insbesondere erhält man durch diesen Anteil eine signifikante Kostenreduktion der Sinterverbindung durch die Materialeinsparung und die Reduktion der aufzuwendenden Sintertemperatur. Dies unter weitgehender Beibehaltung der mechanischen und thermischen Eigenschaften der resultierenden Sinterverbindung. Kleinere Anteile führen zu einer nur ungenügenden Ausbildung einer eutektischen Mischung, wohingegen höhere Anteile die thermische Stabilität der resultierenden Sinterverbindung zu stark reduzieren können. Der Volumen-Anteil des Zinn umfassenden Vollmaterials ergibt sich aus dem Gewichtsanteil unter Berücksichtigung der Partikeldichte.
Gegenstand einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine flüssigphasen Sinterzusammensetzung, wobei die maximale Ausdehnung des partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterials größer oder gleich 0,1 µm und kleiner oder gleich 1000 µm beträgt. Diese Größenordnung des Zinn umfassenden Vollmaterials hat sich für den Erhalt einer dichten Sinterverbindung mit einer innigen Vermengung des Zinn umfassenden Vollmaterials mit den Silberpartikeln als besonders vorteilhaft erwiesen. Kleinere maximale Ausdehnungen können zu mechanisch instabilen und größere maximale Ausdehnungen zu inhomogenen Sinterverbindungen führen. Die maximale Ausdehnung der Partikel ergibt sich dabei aus der größten Entfernung zweier Oberflächenpunkte desselben Partikels. Das partikuläre, Zinn umfassende Vollmaterial liegt dabei nicht zwingend monodispers vor. Es kann auch eine Größenverteilung des Zinn umfassenden Vollmaterials vorliegen, wobei die oben angegebenen Größenordnungen im Falle einer Größenverteilung einem mittleren Partikeldurchmesser im Sinne eines D₅₀-Wertes entsprechen können. Die Größenordnung der Ausdehnung des Zinn umfassenden Vollmaterials kann dabei konventionell über eine optische Methode (Mikroskop) oder über Streumethoden (MALS) bestimmt werden. Zum Erhalt der Größenverteilung können die Ergebnisse der Streumethoden in erster Näherung mittels einer kugelförmigen Geometrie der Partikel interpretiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die flüssigphasen Sinterzusammensetzung eine Zusammensetzung aufweisen, wobei der Anteil

– der organischen Hilfsstoffe größer oder gleich 0,1 Gew-% und kleiner oder gleich 10 Gew-%,
– der Silbersalze größer oder gleich 5 Gew-% und kleiner oder gleich 20 Gew-%,
– der Silberpartikel größer oder gleich 40 Gew-% und kleiner oder gleich 94 Gew-% und
– des partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterials größer oder gleich 0,1 Gew-% und kleiner oder gleich 50 Gew-% beträgt und die Summe der einzelnen Anteile 100 Gew-% entspricht. Diese Zusammensetzung der erfindungsgemäßen flüssigphasen Sinterzusammensetzung hat sich aus prozess-ökonomischer und verfahrenstechnischer Sicht als besonders vorteilhaft erwiesen. Die erhältlichen Sinterverbindungen weisen eine gute mechanische Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Standzeiten der Bauteile und, im Vergleich zu den im Stand der Technik aufgeführten Zusammensetzungen ohne Zinn umfassendes Vollmaterial, geringere Kosten auf.

In einer weiteren Ausführungsform der flüssigphasen Sinterzusammensetzung kann die Zusammensetzung weitere metallische oder nichtmetallische Partikel enthalten. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die weiteren metallischen oder nichtmetallischen Partikel derart ausgebildet sind, dass diese während des Sinterprozesses mit den Silber- und/oder den Zinn umfassenden Vollmaterial versintern. Hierzu können die weiteren metallischen oder nichtmetallischen Partikel beispielsweise eine sinterfähige Oberfläche aufweisen, die beispielsweise mittels einer geeigneten Beschichtung realisierbar ist. Desweiteren lassen sich aber auch inerte Partikel zusetzen, welche nur vom Sintermaterial umschlossen werden und keine direkte Anbindung an das metallische Vollmaterial aufweisen. Auch ist es möglich, die weiteren metallischen oder nichtmetallischen Partikel derart auszuwählen, dass diese in das Zinn umfassende Vollmaterial ein diffundieren. Dies kann die Struktur und Dichte der Sinterverbindung positiv beeinflussen. Als nichtmetallische Partikel können zum Beispiel keramische Partikel wie insbesondere Aluminiumoxid (auch dotiert), Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Siliziumoxid und Siliziumnitrid eingesetzt werden. Um die elektrische Leitfähigkeit durch den Zusatz nichtmetallischer Partikel nicht zu sehr zu verschlechtern, können auch elektrisch leitfähige Keramiken, wie beispielsweise Borkarbid oder Siliziumkarbid eingesetzt werden. Metallische Partikel können zum Beispiel ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Silber-, Kupfer-, Gold-, Platin-, Palladiumpartikel oder einer Mischung der vorgenannten Partikel. Diese weiteren metallischen Partikel können zum Beispiel genutzt werden um den CTE-Mismatch anzupassen oder bestimmte Gefügedichten der gesinterten Fügestelle zu realisieren. Der Gewichtsanteil der weiteren metallischen oder nichtmetallischen Partikel kann größer oder gleich 0,1 Gew.-% bis zu kleiner oder gleich 10 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 0,5 Gew.-% bis zu kleiner oder gleich 5 Gew.-% und insbesondere bevorzugt größer oder gleich 0,5 Gew.-% bis zu kleiner oder gleich 2,5 Gew.-%, betragen.
In einer weiteren, erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das partikuläre, Zinn umfassende Vollmaterial in der flüssigphasen Sinterzusammensetzung in Form einer zinnhaltigen Legierung oder Mischphase vorliegen. Zur Anpassung des Schmelz- und Legierungsverhaltens des Zinns kann das Zinn umfassende Vollmaterial weitere metallische Bestandteile aufweisen. Bevorzugt liegen diese weiteren metallischen Bestandteile dabei nicht räumlich separiert, sondern in Form von Mischphasen oder Legierungen innerhalb des Partikels vor. Dadurch lassen sich insbesondere das Schmelzverhalten der Zinn umfassenden Partikel und die weitere Legierungsbildung mit den Silber-Vollmaterial verfahrenstechnisch beeinflussen. Desweiteren kann so die mechanische Härte des Zinn umfassenden Vollmaterials angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das partikuläre, Zinn umfassende Vollmaterial in der flüssigphasen Sinterzusammensetzung zusätzlich Kupfer enthalten. Kupfer als weiterer Bestandteil des Zinn umfassenden Vollmaterials kann besonders bevorzugt sein, da Kupfer/Zinn-Legierungen im Vergleich zu reinem Zinn zu einer Verringerung des CTE führen können. So liegt zum Beispiel der CTE von Bronze bei ungefähr 17E-6 1/K, wohingegen Ag einen CTE von 19 E-6 1/K und Sn einen von 23 E-6 1/K aufweist. Durch Beimischungen von Kupfer kann der CTE also auf die jeweilige vorliegende Fügesituation angepasst werden.
Desweiteren kann in einer zusätzlichen Ausgestaltung der Kupferanteil an dem partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterial in der flüssigphasen Sinterzusammensetzung größer oder gleich 85 mol-% und kleiner oder gleich 95 mol-% betragen. Dieses Zinn-Bronzen Vollmaterial kann zusammen mit den Silberpartikeln im Vergleich zu den im Stand der Technik genannten Vollmaterialien sowohl zu einer signifikanten Reduzierung der Materialkosten wie auch zu dichten Sinterschichten führen. Gerade die günstige Legierungsbildung der Zinn-Bronze mit den Silberpartikeln kann zu einer schnellen Verfahrensführung bei niedrigen Sintertemperaturen beitragen. Desweiteren zeigen diese Art der Sinterverbindungen eine, im Vergleich zu Sinterverbindungen mit reinen Silberpartikeln, nur unwesentlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit.
In einer weiteren Ausführungsvariante der flüssigphasen Sinterzusammensetzung kann das Zinn umfassende Vollmaterial aus Zinn bestehen. Zum Erhalt möglichst niedrigschmelzender Vollpartikel kann das Zinn umfassende Vollmaterial ganz aus Zinn bestehen. Dies bedeutet, dass der Zinnanteil an dem Vollpartikel größer oder gleich 98 Gew-% betragen kann. Dieser Anteil an Zinn im Vollpartikel kann die Verfahrensführung erleichtern, indem es die Anwendung niedrigerer Prozesstemperaturen erlaubt. Zudem kann sich ein positiver Effekt auf die Sinterzeit einstellen.
Desweiteren erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente umfassend die Verfahrensschritte

a) Bereitstellen zweier Bauelemente mit zu fügenden Oberflächen
b) Einbringen einer flüssigphasen Sinterzusammensetzung zwischen mindestens einem Teil der Oberflächen der zu fügenden Bauelemente aus Schritt a)
c) Sintern der flüssigphasen Sinterzusammensetzung dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigphasen Sinterzusammensetzung in Schritt b) partikuläres, Zinn umfassendes Vollmaterial enthält.

Im Hinblick auf das Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente existieren zwei unterschiedliche Anwendungsfälle. Zum einen können zwei elektronische Bauelemente direkt an- oder aufeinander oder es können ein oder mehrere Bauelemente auf einen Träger gefügt werden. Die elektrisch leitende Verbindung der einzelnen elektronischen Bauelemente kann dann über den Träger erfolgen. Demzufolge stellen auch Träger elektronische Bauelemente im Sinne des Schrittes a) dar. Die Oberflächen der elektronischen Bauelemente sind vorzugsweise aus Metall. Die elektronischen Bauelemente können dabei zu den Klassen elektronischer Bauelemente gehören, welche standardmäßig innerhalb des Gebietes der Leistungselektronik, Consumer Elektronik, und ähnlicher Gebiete Verwendung finden. Insbesondere zählen dazu Trägermaterialien und Grundplatten wie bestückte Schaltungsträger, Gehäuse, DCB-, AMB-, IMS-, PCB-, LTCC-, Standartkeramik-Substrate, Stanzgitter und Leadframes.
Im Schritt b) kann, als Funktion der Viskosität der flüssigphasen Sinterzusammensetzung, die Sinterzusammensetzung ganz oder nur partiell auf eine oder beide Oberflächen der Bauelemente aufgetragen werden. Dies zum Beispiel durch Bestreichen, Aufstreuen, Bespritzen, Rakeln, Drucken oder Aufbringen in Form einer Folie, eines Drahtes oder einer Platte. Die beiden Bauelemente werden dabei entweder schon vorher auf den gewünschten Abstand zueinander positioniert oder dieser wird anschließend, nach dem Aufbringen der flüssigphasen Sinterzusammensetzung, mechanisch eingestellt.
In Schritt c) wird die flüssigphasen Sinterzusammensetzung mittels eines Erwärmungsschrittes mit oder ohne Applikation statischen Druckes gesintert. Hierbei werden die in der flüssigphasen Sinterzusammensetzung vorhandenen Vollpartikel ganz oder partiell aufgeschmolzen und so die Oberflächen der elektronischen Bauelemente stoffschlüssig gefügt. Das Verfahren kann in mehreren Temperaturschritten oder -Rampen oder bei einer konstanten Temperatur durchgeführt werden.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente kann das Zinn umfassende Vollmaterial der Sinterzusammensetzung in Schritt b) aus Zinn oder Bronze bestehen. Zinn und Bronze Vollmaterialien eignen sich aufgrund Ihrer Eigenschaften mit Silber eine Schmelzpunkterniedrigende Mischphase einzugehen im besonderen Maße zum Einsatz innerhalb des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens. Durch den Einsatz des Zinns, respektive der Zinn/Kupfer-Legierung lassen sich mechanisch und thermisch sehr stabile Sinterschichten erhalten. Zudem erlauben die Schmelzpunkte der Verbindungen eine ökonomische Prozessführung mit der Anwendung nur geringer Sintertemperaturen. Das aus Zinn oder Bronze bestehende Vollmaterial kann gegebenenfalls mit einer weiteren metallischen oder nichtmetallischen Oberflächenbeschichtung ausgerüstet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente kann die Temperatur beim Sintern der flüssigphasen Sinterzusammensetzung im Schritt c) größer oder gleich 200 °C und kleiner oder gleich 500°C betragen. Diese niedrigen Sintertemperaturen können, bedingt durch die Verwendung Zinn umfassenden Vollmaterials, ausreichen, eine hinreichende Fügegüte der elektronischen Bauelemente durch den Sinterprozess bereitzustellen. Bevorzugt kann die Temperatur beim Sintern der flüssigphasen Sinterzusammensetzung im Schritt c) größer oder gleich 200 °C und kleiner oder gleich 400°C, desweiteren bevorzugt größer oder gleich 230 °C und kleiner oder gleich 350°C betragen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente können im Schritt c) die Fügeteile zusätzlich mit einem Fügedruck größer oder gleich 0,1 MPa und kleiner oder gleich 150 MPa beaufschlagt werden. Bevorzugt kann der Prozessdruck maximal 150 MPa, vorzugsweise weniger als 100 MPa, weiter bevorzugt weniger als 50 MPa betragen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Fügeverfahren gänzlich drucklos erfolgen. Dies kann zu einer erheblichen Kostenreduktion des Verfahrens beitragen, da aufwendige hydraulische Vorrichtungen zum Erreichen eines ansonsten nötigen Anpressdruckes nicht vonnöten sind.
Desweiteren können die vorgestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen leistungselektronischer Bauteile verwendet werden. Beispiele für Einsatzgebiete sind das Fügen elektronischer Bauelemente für: Leistungsendstufen elektrischer Servolenkungen, Leistungsendstufen universeller Wechselrichteinheiten, Regelelektroniken, insbesondere am Starter und/oder Generator, Einpressdioden an Generatorschilden, hochtemperaturstabile Halbleiter, wie Siliziumkarbid, oder auch Sensoren, die unter hoher Temperatur betrieben werden und eine sensornahe Auswerteelektronik benötigen. Auch ist der Einsatz bei Halbleiterdioden und Modulen für Wechselrichter, insbesondere an Photovoltaik-Anlagen, möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20080073776 A1 [0007]
WO 2009012450 A1 [0008]
US 20090230172 A1 [0009]
DE 102009000192 A1 [0010]
DE 102010042702 A1 [0016]
DE 102010042721 A1 [0016]

Claims

Flüssigphasen Sinterzusammensetzung enthaltend niedermolekulare organische Hilfsstoffe, mindestens ein Silbersalz, Silberpartikel und ein weiteres metallisches Vollmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Vollmaterial partikulär vorliegt und Zinn umfasst.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das partikuläre, Zinn umfassende Vollmaterial kugelig, spratzig oder plattenförmig vorliegt.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterials an der Sinterzusammensetzung größer oder gleich 0,1 Vol-% und kleiner oder gleich 50 Vol-% beträgt.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Ausdehnung des partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterials größer oder gleich 0,1 µm und kleiner oder gleich 1000 µm beträgt.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil – der organischen Hilfsstoffe größer oder gleich 0,1 Gew-% und kleiner oder gleich 10 Gew-%, – der Silbersalze größer oder gleich 5 Gew-% und kleiner oder gleich 20 Gew-%, – der Silberpartikel größer oder gleich 40 Gew-% und kleiner oder gleich 94 Gew-% und – des partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterials größer oder gleich 0,1 Gew-% und kleiner oder gleich 50 Gew-% beträgt und die Summe der einzelnen Anteile 100 Gew-% entspricht.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zusammensetzung weitere metallische oder nichtmetallische Partikel enthält.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das partikuläre, Zinn umfassende Vollmaterial in Form einer zinnhaltigen Legierung oder Mischphase vorliegt.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das partikuläre, Zinn umfassende Vollmaterial zusätzlich Kupfer enthält.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei der Kupferanteil an dem partikulären, Zinn umfassenden Vollmaterial größer oder gleich 85 mol-% und kleiner oder gleich 95 mol-% beträgt.
Flüssigphasen Sinterzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Zinn umfassende Vollmaterial aus Zinn besteht.
Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente umfassend die Verfahrensschritte a) Bereitstellen zweier Bauelemente mit zu fügenden Oberflächen b) Einbringen einer flüssigphasen Sinterzusammensetzung zwischen mindestens einen Teil der Oberflächen der zu fügenden Bauelemente aus Schritt a) c) Sintern der flüssigphasen Sinterzusammensetzung dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigphasen Sinterzusammensetzung in Schritt b) partikuläres, Zinn umfassendes Vollmaterial enthält.
Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente nach Anspruch 11, wobei das Zinn umfassende Vollmaterial der Sinterzusammensetzung in Schritt b) aus Zinn oder Bronze besteht.
Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Temperatur beim Sintern der flüssigphasen Sinterzusammensetzung im Schritt c) größer oder gleich 200 °C und kleiner oder gleich 500°C beträgt.
Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen elektronischer Bauelemente nach Anspruch 11–13, wobei im Schritt c) die Fügeteile zusätzlich mit einem Fügedruck größer oder gleich 0,1 MPa und kleiner oder gleich 150 MPa beaufschlagt werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11–14 zum Fügen leistungselektronischer Bauteile.