DE102007046901A1 - Verfahren und Paste zur Kontaktierung von Metallflächen - Google Patents

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Wolfgang Schmitt
Tanja Dickel
Katja Stenger
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Abstract

Zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen oder wärmeleitfähigen Verbindung zur Kontaktierung zweier Elemente wird erfindungsgemäß aus einer Silberverbindung elementares Silber zwischen den Kontaktflächen gebildet. Erfindungsgemäß lässt sich die Verfahrenstemperatur bei der Anwendung eines Silberlots unter 240°C erniedrigen und der Verfahrensdruck auf Normaldruck senken. Eine erfindungsgemäße Kontaktierungspaste weist eine Silberverbindung auf, die sich unterhalb von 400°C unter Bildung von elementarem Silber zersetzt. Erfindungsgemäß erfolgt eine in situ Metallerzeugung aus einer chemischen Verbindung zur Herstellung eines Kontakts, der oberhalb der zu seiner Herstellung erforderlichen Temperatur verwendet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Kontaktierungspasten, insbesondere Silberpasten.
  • Bekannte Kontaktierungspasten aus in Lösungsmittel dispergierten Silberflocken (Silberflakes) werden unter Druck in der Größenordnung von 30 MPa bei Temperaturen von ungefähr 300°C gesintert, um eine dünne Schicht von ungefähr 50 μm auf ein elektronisches Bauteil (Chip) aufzutragen. Hierbei wird eine zuverlässige Verbindung von Chip und Substrat geschaffen, die Betriebstemperaturen von über 250°C standhält. Die zu verbindenden Flächen müssen edel sein, insbesondere aus Silber oder Gold bestehen.
  • WO 2004/026526 offenbart die Anwendung von Nanosilber mit Partikelgrößen < 100 nm, um den Druck auf etwa 20 MPa und die Temperatur auf ca. 250°C herabzusetzen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einerseits Kontaktierungen bereitzustellen, die einen Schmelzpunkt möglichst weit oberhalb eines Weichlots aufweisen und andererseits aber möglichst einfach wie mit Weichlot herstellbar sind. Es sollen elektronische Bauteile mit einem Temperaturanwendungsbereich, der sich bis über 200°C und gegebenenfalls sogar über 250°C erstreckt, leichter auf Substraten befestigt werden, insbesondere dafür die Druckbelastung verringert werden. Hierfür soll eine geeignete Kontaktierungspaste geschaffen werden.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen oder einer wärmeleitfähigen Verbindung zur Kontaktierung zweier Elemente wird erfindungsgemäß eine Silberverbindung zu elementarem Silber zwischen den Kontaktflächen umgesetzt.
  • Vorzugsweise
    • • ist die Silberverbindung eine organische Silberverbindung oder Silberkarbonat;
    • • weist eine Kontaktfläche unedles Metall in der Oberfläche auf;
    • • liegt die Prozesstemperatur zur Herstellung der Silberverbindung unterhalb von 400°C;
    • • erfolgt die Herstellung der Silberverbindung unter Atmosphärendruck;
    • • wird eine Paste, die die Silberverbindung aufweist, auf eine Kontaktfläche aufgetragen.
  • Die Paste enthält vorzugsweise ein Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 und Kupfer- oder Silberpartikel, insbesondere im Bereich zwischen 0,2 μm und 5 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 μm und 2 μm.
  • Silberverbindungen, die sich unter 300°C, insbesondere unter 250°C zersetzen und dabei elementares Silber bilden, sind besonders geeignet, Sinterpasten bezüglich ihrer Anwendung erheblich zu verbessern. Erfindungsgemäß werden Kontaktierungspasten bereitgestellt, die leicht zersetzbare Silberverbindungen aufweisen. Diese erfindungsgemäßen Pasten ermöglichen ein Kontaktieren bei niederem Anpressdruck, insbesondere unter 5 bar, vorzugsweise unter 3 bar und eine Prozesstemperatur von ca. 230°C, d. h. unter 250°C, insbesondere unter 240°C.
  • Die erfindungsgemäße Kontaktierung zwischen den Oberflächen ist bei über 200°C temperaturwechselbeständig, und zwar über 2.000 Zyklen. Damit übertrifft die Kontaktierungspaste die mit Weichlotlegierungen oder Leitklebern erzielbare Temperaturbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es somit ermöglicht, dass die Kontaktierungstemperatur der Kontaktierungspaste unter der Betriebstemperatur der mit der Paste hergestellten Kontakte liegt. Die erfindungsgemäß leicht zersetzlichen Silberverbindungen sind einfacher herstellbar und leichter zu konservieren als Nanosilber.
  • Maßgeblich ist, dass die Paste neben ihren organischen Bestandteilen wie Lösungsmittel und/oder Carbonsäuren eine leicht zersetzliche Silberverbindung aufweist, durch die eine Verarbeitung wie mit Weichlot unter 400°C ermöglicht wird. Vorzugsweise bildet die Silberverbindung unter 300°C, insbesondere unter 250°C, metallisches Silber. Geeignete Silberverbindungen sind Silberoxid, Silberkarbonat und insbesondere organische Silberverbindungen. Besonders bewährt hat sich Silberlaktat.
  • Es wird vermutet, dass die erfindungsgemäßen Pasten und Verfahren auf der Bildung von hochreaktivem in situ erzeugtem Silber beruhen, das die Kontaktflächen und die gegebenenfalls in der Paste vorliegenden Feststoffe miteinander verbindet.
  • Leicht zersetzbare Silberverbindungen sind in bekannten Pasten, beispielsweise zusammen mit Silberflocken oder Nanosilber oder einer Kombination aus Silberflocken und Nanosilber anwendbar. In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird eine Paste mit einer leicht zersetzlichen Silberverbindung und Kupferpulver bereitgestellt. Die Teilchengröße des Kupferpulvers beträgt vorzugsweise unter 10 μm.
  • Die erfindungsgemäße Paste eignet sich weiterhin zur Verbindung von unedlen Metalloberflächen, beispielsweise Kupferoberflächen.
  • Erfindungsgemäß wird neben Silberoberflächen auch auf Kupfer- und Nickel-Gold-Oberflächen eine feste Verbindung mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit schon bei ungefähr 230°C gesintert. Die Zugbelastung der Verbindungen beträgt ungefähr 50 MPa.
  • Die erfindungsgemäßen Pasten eignen sich für die Befestigung von Kühlkörpern oder LED's sowie die Anwendung in der Optoelektronik und Leistungselektronik (Power-Module), insbesondere DCB (Direct Copper Bonding) und Die-Attach.
  • Vorzugsweise ist die Kontaktierungspaste harzfrei. Insbesondere wird ein Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 mit einer leicht zersetzbaren Silberverbindung und gegebenenfalls noch mit einem Metallpulver wie Silberflakes, Nanosilber oder Kupferpulver gemischt.
  • Erfindungsgemäß wird eine Niedertemperatur-Sintertechnik (NTV) geschaffen, die die Bonddraht-Technik zurückdrängen wird, da das beidseitige Erwärmen von Bauteilen mit der erfindungsgemäßen Sinterpaste von Vorteil ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Abbildungen verdeutlicht.
  • 1 zeigt die Befestigung von LED's auf einem Kühlkörper;
  • 2 zeigt die Befestigung eines elektronischen Bauteils (Chip) auf einer Leiterbahn;
  • 3 zeigt die Befestigung eines DCB auf einem Kühlkörper.
  • Gemäß einer Ausführung nach 1 ist ein LED 1 auf einem Kühlkörper 2 mit einer Kontaktierung 3 befestigt.
  • Die Wärmeentwicklung des LED 1 birgt bei Weichlotkontakten die Gefahr zur Versprödung durch Ausbildung intermetallischer Phasen und beeinträchtigt somit die Zuverlässigkeit der Kontakte.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Kontaktierungspaste aus einem Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 , in dem Silberlaktat neben Silberflocken (Flakes) dispergiert ist, wird ein reiner Silberkontakt hergestellt, der naturgemäß die beste Wärmeleitfähigkeit aufweist und unter der Dauertemperaturbelastung des LED's keine Alterung zeigt.
  • Zur Herstellung einer LED-Befestigung nach 1 wird eine Paste aus 80 Gew.-% Silber, 5 Gew.-% Silberlaktat und 15 Gew.-% Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 auf den Kühlkörper 2 aufgetragen. Dann wird der LED 1 auf die Paste gesetzt und der Rohling im Ofen 45 bis 60 Minuten auf 230°C erhitzt. Der dabei erzeugte Silberkontakt 3 ist der bestmögliche Wärmeleiter, mit uneingeschränkter Zuverlässigkeit für die LED-Anwendung. Der Kontakt 3 ist für weitaus höhere Temperaturen beständig.
  • Gemäß einer Ausführung nach 2 ist ein Hochtemperatursensor 4 gemäß EP 0 809 094 A1 der Heraeus Sensor Technology GmbH auf einem Leiterrahmen 5 mit einer Kontaktierung 3 befestigt. Die Hochtemperaturanwendung des Hochtemperatursensors 4, dessen Anwendungsbereich über 500°C reicht, wäre bei Weichlotkontakten auf die Schmelztemperatur des Weichlots beschränkt, wobei die Versprödung durch Ausbildung intermetallischer Phasen die Einsatzdauer der Kontakte begrenzen würde.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Kontaktierungspaste aus einem Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 , in dem Silberkarbonat neben Silberflocken (Flakes) dispergiert ist, wird ein reiner Silberkontakt hergestellt, der naturgemäß die beste elektrische Leitfähigkeit aufweist und bei den angewendeten Temperaturen des Sensors absolut zuverlässig ist.
  • Zur Herstellung einer Chip-Kontaktierung nach 2 wird eine Paste aus 80 Gew.-% Silber, 5 Gew.-% Silberkarbonat und 15 Gew.-% Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 auf den Leiterrahmen 5 aufgetragen. Dann wird der Chip 4 auf die Paste gesetzt und der Rohling im Ofen 30 bis 60 Minuten auf 260°C bis 270°C erhitzt. Der dabei erzeugte Silberkontakt 3 ist der bestmögliche elektrische Leiter mit der gewünschten Zuverlässigkeit für die Sensor-Anwendung.
  • Gemäß einer Ausführung nach 3 ist ein DCB 6 elektrisch mit einem Chip 4 und wärmeleitend auf einem Kühlkörper 2 mit je einer Kontaktierung 3 befestigt. Die Wärmeentwicklung des Chips 4 birgt bei Weichlotkontakten die Gefahr zur Versprödung durch Ausbildung intermetallischer Phasen und beeinträchtigt somit die Zuverlässigkeit der Kontakte 3.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Kontaktierungspaste aus einem Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 , in dem Silberlaktat neben Silberflocken und Kupferflocken dispergiert ist, wird für die Kontaktierung des DCB mit dem Kühlkörper ein reiner Metallkontakt hergestellt, der eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und unter der Dauertemperaturbelastung des Chips keine Alterung zeigt.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Kontaktierungspaste aus einem Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 , in dem Silberlaktat neben Silberflocken dispergiert ist, wird für die Kontaktierung des DCB mit dem Chip ein reiner Metallkontakt hergestellt, der eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweist und unter der Dauertemperaturbelastung des Chips keine Alterung zeigt.
  • Zur Herstellung von DCB-Kontakten nach 3 wird eine Paste aus 60 Gew.-% Kupfer, 20 Gew.-% Silber, 5 Gew.-% Silberlaktat und 15 Gew.-% Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 auf den Kühlkörper 2 aufgetragen. Dann wird der DCB 6 auf die Paste gesetzt und mit einer Paste aus 80 Gew.-% Silber, 5 Gew.-% Silberlaktat und 15 Gew.-% Gel gemäß DE 10 2005 053 553 A1 beschichtet, worauf der Chip 4 gesetzt wird und dieser Rohling bei einem isostatischem Druck von 2 bis 3 bar im Ofen 20 bis 40 Minuten auf 240°C erhitzt wird. Der dabei erzeugte Silberkontakt 3 ist der bestmögliche elektrische Leiter mit uneingeschränkter Zuverlässigkeit für die Chip-Anwendung. Der Kupfer-Silber-Kontakt 3 ist zuverlässig für eine sehr gute Wärmeübertragung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2004/026526 [0003]
    • - DE 102005053553 A1 [0008, 0017, 0025, 0026, 0028, 0029, 0031, 0032, 0033, 0033]
    • - EP 0809094 A1 [0027]

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen oder wärmeleitfähigen Verbindung zur Kontaktierung zweier Elemente, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Silberverbindung elementares Silber zwischen den Kontaktflächen gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberverbindung eine organische Silberverbindung oder Silbercarbonat ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktfläche unedles Metall in der Oberfläche aufweist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrenstemperatur zur Herstellung der Kontaktierung unterhalb von 400°C liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung unter Atmosphärendruck erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Paste, die die Silberverbindung aufweist, auf eine Kontaktfläche aufgetragen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste Kupfer oder Silberpartikel aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste ein Gel aufweist.
  9. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Herstellung einer Silber aufweisenden elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer elektrischen Anschlussfläche eines elektronischen Bauteils und einer weiteren elektrischen Anschlussfläche zur elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrenstemperatur unterhalb von 240°C liegt.
  10. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zur Herstellung einer Silber aufweisenden elektrischen Verbindung zwischen einer elektrischen Anschlussfläche eines elektronischen Bauteils und einer weiteren elektrischen Anschlussfläche zur elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindung der Anschlussflächen unter Atmosphärendruck erfolgt.
  11. Kontaktierungspaste, enthaltend einen Feststoff in einer organischen Masse, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste eine Silberverbindung aufweist, die sich unterhalb von 400°C unter Bildung von elementarem Silber zersetzt.
  12. Kontaktierungspaste nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungspaste ein Gel aufweist.
  13. Kontaktierungspaste nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungspaste Metallpartikel aufweist.
  14. Kontaktierungspaste nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel Silber- oder Kupferpartikel sind.
  15. Verwendung einer Kontaktierungspaste nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zur Verbindung elektronischer Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zu verbindenden Flächen aus einem unedlen Metall besteht.
  16. Verwendung der Paste nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zur Kontaktierung bei Drücken bis zu 5 bar.
  17. Verwendung nach Anspruch 16 zum Niederdruckkontaktieren im Bereich der Leistungselektronik oder Optoelektronik oder zur Befestigung von LED's oder Kühlkörpern.
  18. Verwendung eines Metallkontakts zwischen zwei metallischen Flächen oberhalb der zur Herstellung des Kontakts erforderlichen Temperatur für eine in situ Metallerzeugung aus einer chemischen Verbindung.
  19. Verwendung einer chemischen Verbindung zur Erzeugung von Metall für eine metallische Kontaktierung zweier Gegenstände unterhalb der maximalen Anwendungstemperatur des bei der Kontaktierung erzeugten Kontakts.
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