DE102009020733A1

DE102009020733A1 - Verfahren zur Kontaktsinterung von bandförmigen Kontaktelementen

Info

Publication number: DE102009020733A1
Application number: DE102009020733A
Authority: DE
Inventors: Frank Osterwald; Jacek Rudzki; Ronald Prof. Dr. Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: WO2010130235A2; WO2010130235A3; DE102009020733B4

Abstract

Verfahren zur Kontaktsinterung eines Halbleiterbauelementes für die Leistungselektronik mit einem bandförmigen Kontaktelement, das an dem Halbleiterbauelement durch Drucksintern befestigt ist, wobei das bandförmige Kontaktelement eine Flechtband-Kontaktleitung aus einer Vielzahl metallischer Litzendrähte ist, eine Tauchbenetzung der Litzendrähte mit nasser Sinterpaste im Bereich der kontaktaufnehmenden Endbereiche erfolgt, die Drucksinterung mit Hilfe eines mit temperaturbeaufschlagten Stempels erfolgt, der punktförmig den Kontaktbereich mit Druck und Temperatur sintert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktsinterung eines Halbleiterbauelementes mit einem bandförmigen Kontaktelement nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Eine Kontaktierung eines ungehäusten Halbleiterbauelementes erfolgt bei einem Transistor typischerweise an den Kollektorflächen (Drain) auf einem Substrat und auf der gegenüberliegenden Fläche (hier: oben) auf den Emitter-(Source-) und Basisflächen (Gate) durch leitende Drähte, Bänder oder Laschen.
Auch Halbleiterbauelemente vom Typ Diode werden so kontaktiert, das jedoch entweder auf der oben liegenden Kathodenfläche oder, im umgekehrten Fall auf der oben liegenden Anodenfläche.
Als Beispiel eines MOSFET-Transistors kann im Stand der Technik auf den oben liegenden Gate und Sourceflächen ein Band aus Silber durch Drucksintern stoffschlüssig kontaktiert werden. Die Silber-Sinterpaste wird im beschriebenen Fall z. B. durch Dispensieren oder Drucken vor dem Kontaktieren auf eine der beiden Kontaktflächen aufgebracht.
In der DE 10 2007 057 346 C2 wird in einem ähnlichen Verfahren ein elektrisch leitendes Flechtband auf eine vorbereitete Schicht von sinterbarem Silber gedrückt und erhitzt, damit eine stoffschlüssige Verbindung durch Diffusion entsteht.
Beim Sintern des beschriebenen Flechtbandes kann aber die verbindende Silberschicht nur einen kleinen Anteil der Einzeldrahtoberfläche erreichen. Dies ist ungünstig und begründet sich durch die nicht vorhandene Fließfähigkeit der vorgetrockneten Silberschicht, die kein Silber in das Innere der Litze (ein Bündel von dünnen Drähten) befördert.
Die Konsequenz dieser Teilbenetzung ist eine nicht hinreichende mechanische Festigkeit des Flechtbandes auf der Halbleiteroberfläche und eine eingeschränkte elektrische und thermische Leitfähigkeit vom Halbleiter in das Flechtband.
Viele einzelne Drähte aus der Litze sind nicht mit Silber angebunden und verursachen im Betrieb Schwankungen in der elektrischen und thermischen Leitung durch undefinierte Berührungen gegen Nachbardrähte je nach thermisch-mechanischer Verformung.
Diese negative Eigenschaft stellt sich auch ein, wenn die Flechtbänder statt auf einem Halbleiter auf einer Kontaktfläche des Substrates gesintert werden sollen. Gerade in diesen Fällen ist eine große und konstante Stromtragfähigkeit gefordert, denn die Substratkontakte tragen häufig die Summenströme mehrerer, parallel geschalteter Leistungshalbleiter.
Weiter ist aus der Veröffentlichung M. Helt, P. Jacob, G. Nikoletti, P. Scacco "Fast Power cicling test of IGBT Modules and Traction Application: International Confcerence and Power Electronics and Drive Systems", 1997 bereits die Zuverlässigkeit von Aluminiumdrähten bekannt. Heutzutage möchten eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der Fahrzeugindustrie, höhere Betriebstemperaturen ermöglichen. Dies wiederum bedeutet eine große Anforderung an die Drahtbonde und eine Verkürzung ihrer Lebensdauer.
Daher müssen Verbesserungen an insbesondere den Oberseitenkontakten von Chips gefunden werden. Bisher wurden hierzu Polymerbeschichtungen oder Molydänpuffer diskutiert. Für die Lötschicht wurde jedoch bisher keine Verbesserung der Zuverlässigkeit gefunden. Insbesondere hat die Ultraschallbindungstechnik weder die Herstellungskosten senken können noch die Zuverlässigkeit steigern können. Auch die Silbersintertechnologie als Ersatz für das Löten der Chipverbindungen kann die Aluminiumdrahtverbindungen nicht verbessern.
Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Kontakten zu verbessern. Hierzu wird ein Verfahren zur Kontaktsinterung von Flechtbändern vorgeschlagen, bei dem eine allseitige Benetzung aller Litzendrähte zum Beispiel durch Tauchbenetzung und eine anschließende Trocknung und punktförmige Sinterung erreicht wird.
Dies wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches. Insbesondere ist vorteilhaft, dass das Verfahren zur Kontaktsinterung von Flechtbändern durch die Verwendung von Silber als Sintermaterial und ein Drucksintern an den Fußpunkten unter Erzeugung eines lokalen unidirektionalen Pressdruckes bei gleichzeitiger Erhitzung mittels eines stiftartigen Stempels erfolgt. Ein planares Pressen in quasi-isostatischer Weise über flexible Kissen im Oberstempel der Druckpresse ist ebenso möglich.
Damit wird eine Flechtband-Kontaktierung als metallisches Leiterbündel, die vorzugsweise flach geflochten sind, aber auch flach verdrillt sein können, mit metallischen Leitern (Silber, Kupfer, Aluminium) verbunden, die gegebenenfalls verbindungsfördernd mit einer oxidfreien Oberfläche versehen sind z. B. durch einen NiAu-Flash-Vergoldung oder andere Beschichtungen mit nicht oxidierenden Edelmetallen. Als gefochtenes Leiterbündel ist das Flechtband mit einer inhärenten Dehnbarkeit versehen, die es gegen thermische Ausdehnung und Kontraktion entweder seiner selbst oder der Umgebung an der es befestigt ist, unempfindlich macht.
Bei der Flechtbandkontaktierung ist dann vorteilhaft, dass sie Teil einer festen metallischen Kontaktleiste ist, die eine Anordnung von mehreren Substrathalbleitern über spannt und dabei als flexible Verbindungsleitung zwischen Substrat und Kontaktleiste oder zwischen Halbleiteroberfläche (Source- oder Emitterkontakt bei Transistoren und Kathode oder Anode bei Dioden) und Kontaktleiste erfolgt. Ein Leistungsmodul kann mehrere Kontaktleisten für unterschiedliche elektrische Potentiale besitzen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Flechtband-Kontaktleitung Teil einer festen metallischen Kontaktleiste ist, die durch Umhüllungsspritzen oder mechanische Steckung Bestandteil eines Modulrahmens aus Kunststoff ist. Diese Art von Kontaktleisten im Modulrahmen dienen der äußeren Kontaktierung der Hochstromanschlüsse durch Schrauben oder Stecken. Die Flechtband-Kontaktleitung überspannt dabei als flexible Verbindungsleitung zwischen Substrat und Kontaktleiste bzw. zwischen Halbleiteroberfläche (Source oder Emitterkontakt bei Transistoren und Kathode oder Anode bei Dioden) und Kontaktleiste. Ein Leistungsmodul kann mehrere Kontaktleisten im Modulrahmen für unterschiedliche elektrische Potentiale besitzen.
Weiterhin kann für die Aufbringung des uniaxialen Sinterdruckes durch einen stiftartigen Stempel, die Gestaltung der Stempelendfläche und Stempelendflächentopografie vorteilhaft für die dauerhafte Verbindung gestaltet werden.
Es hat sich neben der rein ebenen Stempelflächenausprägung gezeigt, dass beginnende Kerbwirkung durch mechanische Stresseinwirkung zwischen den versilberten Fügepartner vermindert auftritt, wenn die Umrandung der Stempelfläche geringfügig erhöht ausgeführt wird. Durch die umlaufende oder auch unterbrochen umlaufende Gestalt der Stempelfläche wird entlang des Umlaufs der Erhöhung eine lokal höhere Verdichtung erreicht, die eine höhere Scherfestigkeit der Sinterverbindung ergibt. Die dazu erforderliche Randerhöhung des Stempels sollte zwischen 5% und 20% der finalen Schichtdicke des Sintersilbers betragen. Die Breite der Randüberhöhung entspricht dann dem 1- bis 5-fachen der festgelegten Höhe der Randüberhöhung. Dabei macht man sich eine weitere Eigenschaft des Flechtbandes zunutze, dass nämlich am Rand der Sinterung mechanische Lastkräfte entweder durch weitergegebene mechanische Stöße oder auch aus thermischen Grund von den Einzeldrähten des Flechtbandes deutlich weniger übertragen werden als beispielsweise durch die die Kanten eines Drahtes, der in einer Sinterung oder Lötung endet. Ein Draht wird zudem bei thermischer Ausdehnung gerade seine Fußpunkte kipp-belasten, was bei Litze nicht in dem Maße und nicht mit der gleichen schädlichen Richtungskomponente auftritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontaktsinterung eines Halbleiterbauelementes für die Leistungselektronik mit einem bandförmigen Kontaktelement, das an dem Halbleiterbauelement durch Drucksintern befestigt ist, kann daher allgemein als ein ggf. sogar im nassen Zustand, bevorzugt aber im getrockneten Zustand mittels Drucksinterung mit Hilfe eines mit Temperatur beaufschlagten Stempels punktförmig an den Kontaktbereich mit Druck. und Temperaturbeaufschlagung gesintertes bandförmige Kontaktelement in Form einer Flechtband-Kontaktleitung aus einer Vielzahl metallischer Litzendrähte durchgeführtes Verfahren beschrieben werden. Eine überwiegende Benetzung der einzelnen Litzendrähte mit nasser Sinterpaste im Bereich der kontaktaufnehmenden Endbereiche erfolgt, damit die Sinterpaste in die Litzenzwischenräume eindringt.
Jede Paste die dies ermöglicht ist eine „nasse” im Gegensatz zu getrockneter, an die die Drähte nur von einer Seite „angesintert” werden.
Es wird bevorzugt nach Benetzung die Sinterpaste an der Litze zu trocknen, damit im eigentlichen Sintervorgang nicht zusätzlich noch das Lösungsmittel für das Silber beim Entweichen Wege nach Außen suchen muss, die ggf, weitere (unerwünschte) Kanäle bilden. Bei bestimmten Litzen kann aber durch verbleibende Entweichwege an der Litze entlang dieses Problem, was insbesondere beim Sintern dicker Schichten auftrat, als beherrschbar gelten.
Es wird Flechtband aus mehr als 40 Litzendrähten bevorzugt. Nur für bestimmte kleine Ströme, Steuerspannungen, können auch weniger Drähte in Frage kommen. Das Flechtband kann vorteilhafterweise aus Litzendrähten aus Kupfer bestehen, andere Materialien können wenn es z. B. auf ihre Ausdehnungskoeffizienten ankommt, aber auch gewählt werden.
Die Litzendrähte können mit einer Nickel-/Gold-Oberfläche oder in anderen Anwendungen auch mit Silber oder Palladium wenigstens im Bereich ihrer Tauchbenetzung oxidfrei gestaltet werden.
Bezüglich der Dimensionierung wird vorgeschlagen Flechtband-Kontaktleitung als Teil einer festen Kontaktleiste zu gestalten und die Flechtbänder als flexible Bänder mit jeweils mehr als 60 Litzendrähten länger als die Entfernung ihrer Kontaktpunkte auszubilden. Die Flechtbänder mehr als 15% länger als die Entfernung ihrer Kontaktpunkte auf Kontaktleiste und Halbleiteroberflächen auszubilden reicht für die gängigen Anwendungen aus, da sie über eigene Flexibilität verfügen.
Die Flechtband-Kontaktleitung in einer festen, durch Umhüllungsspritzen gebildeten Modulrahmens, die eine Anzahl von Kontaktleisten aufweist, die für verschiedene Potentiale ausgebildet sind, erlaubt eine Ultrschall-Verschweißung an der Kontaktleiste und eine flexible Führung mit größerer Flexibilität als alle Leistung transportierenden festen Kontakte, die bisher gebräuchlich sind.
Falls die Flechtband-Kontaktleitung durch einen Stempel mit Druck und Temperatur beaufschlagt wird, der kleiner als der Kontaktbereich ist, und der einen Randbereich mit nicht-dichtversinterten, sondern Hohlräume belassenden Litzendrähten belässt, ergibt sich in erwünschter Weise eine „weichere” Randzone für mechanisch besonders belastete Leiter.
Falls der Stempel beim Drucksintern jedoch eine punktförmige Sinterung eines Kontaktbereichs von wenigstens 80% der Fläche eines flach auf dem Kontaktbereich liegenden Flechtbands vornimmt, und der Randbereich den Kontaktbereich nicht überschreitet, können hohe Ströme besonders zuverlässig geleitet werden.
Falls schließlich der Stempel eine punktförmige Sinterung eines gesamten Kontaktbereichs mit dem aufliegenden Flechtbands vornimmt, und wenigstens ein Randbereich der Sinterung aus aus dem Flechtband ausgepressten Sintersilbers den Kontaktbereichrand des Halbleiterbauelements erreicht, so bietet sich dies dort an, wo die thermischen Ausdehnungskoeffizienten gut zueinander passen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Abbildung.
Dabei zeigt:
1 die Verbindung einer Flechtband-Kontaktleitung über eine Silber-Sinterschicht auf einem Substrat,
2 eine Detaildarstellung aus der 1, wobei im Querschliff die Flechtband-Kontaktleitung zu erkennen ist und die optionale Sil ber-Sinterschicht zur Förderung der Festigkeit auf einem Halbleiterchip dargestellt ist,
3 eine Flechtband-Kontaktierung von einer Kontaktleiste in flexibler Führung bis zum Schaltungsträger, dort mittels der vorgeschlagenen Sinterung verbunden,
4 eine Kontaktleiste im Kunststoffrahmen mit Flechtband-Kontaktleitung als äußerer Steckkontakt im Rahmen, wobei das Flechtband zum Beispiel durch Ultraschallschweißung oder Widerstandsschweißung mit der Kontaktleiste verbunden ist.
5 ein schematisches Diagramm eines Testmoduls,
6 eine Kontaktierung der Oberseiten eines Leistungshalbleiters nach dem Stand der Technik,
7 eine Kontaktierung mit einem Litzendraht auf einem gesinterten Chip,
8 das Prinzip des uniaxialen Sinterns mit einem erhitzten Stempel,
9 eine fotografische Darstellung mit dem Stempel im rechten Teil hervorgehoben,
10 die Abreißtestergebnisse für gesinterte Drähte und Litzendrähte
11 einen Befestigungsrahmen eines DCB,
12 die Temperaturlast Tj über die Zeit in 5 s Abständen,
13 eine Zusammenfassung der Zyklustestergebnisse,
14 Tj über eine Anzahl von Zykluszählungen,
15 einen Querschliff durch ein erstes Beispiel,
16 einen Querschnitt durch einen Abreisspunkt einer gelöteten Diode,
17 einen Querschnitt durch eine gesinterte Diode nach knapp 300.000 Zyklen,
18 einen Querschnitt durch den Litzendraht nach knapp 300.000 Zyklen,
19 einen Querschnitt durch einen Litzendraht mit um 10% erhöhte ΔT hatte, der lediglich einen kleinen Riss nach knapp 300.000 Zyklen zeigt, und
20 fünf Darstellungen vorteilhafter Ausprägungen der verbindungsfördernden Randüberhöhung des stiftartigen Stempels – eben, mit balligem Rand, mit Randkante, mit scharfer im Querschnitt dreieckigen Randkante, mit konkaver Druckfläche mit vorspringendem Rand.
Das Probenmuster, das in den Tests genutzt wurde, war ein Modul mit Dioden für eine Gleichrichteranwendung. 4 zeigt ein schematisches Diagramm des Moduls, das aus vier Dioden besteht, die in parallel angeordnet wurden, wobei die Spannung V_RPM 400 V mit einem Strom von I_F = 100 A angelegt wurde. Für die Lastzyklustests wurde jeweils eine Diode eines Paares genutzt. Die andere Diode wurde durch Abtrennen der elektrischen Verbindungen abgehängt.
Modulanordnung
Es bestehen zwei verschiedene Typen von Modulanordnungen. Beide bestehen aus direkt gebondeten Kupfersubstrat mit vier Dioden. Das konventionelle Modul hat aufgelötete Chips auf einem Kupfer DCB Substrat. Die Oberseiten der Chips werden von neun Aluminiumdrahtbonds mit einem Durchmesser von 400 μm gekoppelt, wie dies in 6 dargestellt ist.
7 zeigt nun die neue Anordnung eines Moduls, bei dem auf der Oberseite der Diode ein Litzen-Kupferdraht als Flechtband mit einer Ni/Au Metallisierung beschichtet verwendet wird. Die Verbindung zwischen dem Flechtband und der Chipmetallisierung, wie auch die zweite Verbindung von dem Flechtband, wird durch einen – bevorzugt – uniaxial druckunterstützten Silber-Sinterprozeß erreicht. Ein isotropisches Ausüben des Druckes, etwa über ein Silikonkissen ist aber auch möglich. Die Silbersinterpaste ist marktgängig, wurde hier von Hereaus^® bezogen.
Die Rückseite des Halbleiters ist auf einem DCB Substrat unter Benutzung von Silber-Sintertechnologie angekoppelt. Aufgrund der vielen dünnen Kupferdrähte, deren Durchmesser typischerweise 70 μm, aber auch in einem Bereich von 40 μm–150 μm genutzt werden kann, geben sich vorteilhafte mechanische Widerstandbedingungen gegen Bruch und eine erhöhte Flexibilität des Bandes gegenüber einem massiven Kontaktband.
Weiter hat das Kupferband einen geringeren CTE (thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Aluminiumdraht). Es sind auch Litzendrähte aus dehnungsarmen Legierungen (z. B. CuMo, CuW oder CuC) herstellbar und zu geflochtenen Bändern verarbeitbar.
Weiter hat das Kupferband einen geringeren CTE (thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Aluminiumdraht).
Schließlich sind auch flexible rüttelfeste Verbindungen möglich, bei denen das Verbindungsband mit einer zusätzlichen Länge versehen ist und einen Bogen beschreibt.
Zum Vergleich eines gesinterten Moduls mit einem gelöteten Modul müssen die Querschnittssektionen aufeinander ausgerichtet werden. Zum Durchführen des gleichen Mitteltemperaturtestes während des Leistungszyklustests ist es notwendig, den Querschnitt des Kupferflechtbandes zu optimieren. Das Verhältnis des spezifischen Widerstandes von Aluminium und Kupfer wird auf 0,79 festgelegt. Ein vergleichbarer Querschnitt der neun Aluminiumdrähte mit einem Gesamtquerschnitt von 1,13 mm² resultiert darin, dass der elektrische Querschnitt des Kupferflechtbandes 0,89 mm² betragen sollte.
Die Verbindungstemperatur der Diode bei einem gegebenen Strom hängt von dem thermischen Widerstand der Diode ab. Um gleiche Testbedingungen zu gewährleisten, wurde die Verbindungstemperatur an den Querschnitt des Flechtbandes angepasst.
Ein gleicher Temperaturanstieg wurde durch einen Querschnittsbereich von 0,44 mm² des Flechtbandes erreicht, verglichen zu 1,13 mm² der Aluminiumdrähte.
Silberpunkt-Sinterung
Der erste Schritt des Bildens einer Baugruppe ist es den Chip durch quasi-isostatisches Druck unterstützen Sinterprozess auf die DCB-Oberfläche zu bringen. Die DCB-Oberfläche sollte ein NiAu Metallisierung aufweisen und eine schablonengedruckte auf der Oberfläche aufgetrocknete Schicht sein. Um die Oberseite eines Halbleiters mit Flechtband zu kontaktieren, wird ein Druck uniaxiales Druck unterstütztes Sinterverfahren benutzt, was im folgenden Punktsinterung genannt wird.
Zum Bilden einer Silberschicht auf dem Kupferband, das essentiell für Silbersinterung ist, wird das Flechtband mit Ni/Au beschichtet und kann in eine Mikro- oder Nanosilberpaste eingetaucht werden, woraufhin erst die Lösungsteile durch Erhitzen ausgetrocknet werden. Entscheidend ist es also, dass eine Benetzung möglichst aller einzelnen Litzendrähte durch die noch feuchte Sinterpaste erfolgt. Die Art der Benetzung unterscheidet sich durch andere ähnliche intern bekannte Verfahren, bei denen die Bändchen oder die Litze auf bereits getrocknete Sinterpasten gepresst wird und nur gering eindringt.
Für Silberbänder, die nicht geflochten sind, würde es ausreichen eine gedruckte Silberschicht auf der Kontaktfläche auszubilden. Der Punktsinterprozess besteht aus einem erhitzten unteren Stempel zum Halten des DCB und einem erhitzten oberen Stempel, um die notwendige Sinterkraft auf die Kontaktfläche aufzubringen. 8 zeigt das Prinzip.
Die Parameter zur optimalen Erzeugung einer festen Verbindung werden im folgenden beschrieben. Dabei wird eine runde, flache Form des oberen Stempels gewählt.
Typische Temperaturen beim Erzeugen des Sinterdruckes sind 280°C bis 320°C für den oberen Stempel und 180° für den unteren Stempel, wobei 1 bis 300 Sekunden mit 20 bis 40 MPa gedrückt wird. Eine längere Andruckzeit ermöglicht dabei das Herabsetzen der Temperatur an die untere Grenze des genannten Bereichs.
Das Flechtband ist dabei mit vergleichbarem Querschnitt wie ein festes Band aus Silber versehen. Das heißt, insgesamt hat es eine Dicke von 100 μm und eine Breite von 3 mm.
Die Abreißtests zeigen nun, dass die Abreißkraft des gesinterten Kupferflechtbandes mit 12,8 N/mm um 32% höher als die Abreißkraft der gesinterten Silberbänder (9,7 N/mm) ist, wie dies in der 10 dargestellt ist.
Um die Langzeitstabilität zu prüfen wurde folgender Test gewählt.
Mit einer 100 A Gleichstromquelle wurde Laststrom angelegt. Ein externer Mikrocontroller steuert das Schalten der IGBTs und triggert die A/D Konverter (ADC). Ein konstanter Stromkreis (100 mA) wird dazu genutzt einen Messstrom für jedes DUT zu erzeugen.
Die AD Konverter werden im Differentialmodus betrieben. Durch Verbinden der DUTs in Reihe mit den Gate-gesteuerten IGBTs wird ein Laststrom auf einen Konstantwert von 90 A gesetzt.
Mechanisches Setup
Die DCBs werden auf einer ,cold plate' mittels Befestigungsrahmen und Schrauben befestigt. Um eine bessere thermische Isolation zu erzeugen, wird die Temperatur der DUTs vergrößert, die DCBs werden zwischen 0,3 mm PTFE-Folien eingeklemmt, eine an der Ober- und eine an der Unterseite der DCBs (siehe 11). Die Befestigungsrahmen der Geräte sind mit dem gleichen konstanten Befestigungsdruck für alle DUTs befestigt. Durch Verändern der Temperatur der kalten Platte (bei einem gegebenen Laststrom) werden die Werte Spreizung und Größe der Temperaturausschläge (T_min, T_max, T_mittel) auf die gewünschten Werte gebracht. Die ,cold plate' besteht aus einem Aluminum-Blech mit internen Kupferröhrchen, die miteinander zu einem geschlossenen Fluidkreislauf mit geregelter Temperatur verbunden sind. Die Temperatur der Flüssigkeit wurde bei konstant 34°C gehalten.
Die meisten Halbleiter weisen eine lineare Funktion der U_forward (U_f) gegen Temperatur (T_j) in dem interessierenden Temperaturbereich auf, und daher ist es ein gutes Verfahren, die Temperatur auf diese Weise zu bestimmen.
Vor dem Test wird jeder DUT in einer externen Temperaturkammer kalibriert, um seine Charakteristik der U_f/T_j zu erhalten. Aus diesen Daten wird eine lineare Gleichung erstellt. Jede Testeinheit wird mit einer Seriennummer und einem Datenblatt versehen.
Eine konstante Einschalt-(ON)-Zeit von einer Sekunde und eine Ausschalt-(AUS)-Zeit von fünf Sekunden wird im folgenden genutzt. Die Daten für U_f im heißen und kalten Zustand werden aufgezeichnet und in den Graphen (T_hot, T_cold, T_mittel) benutzt. DUTs, die mit Löt-/Bondingtechnik hergestellt wurden, werden bis zu ihrem Lebensende (EOL-End of life) getestet. Dieser Zustand wird erreicht, wenn sich die Bonddrähte vom Siliziumchip ablösen.
DUTs in Silbersintertechnologie sind für eine vorbestimmte Anzahl von wenigstens 200.000 Zyklen getestet worden. Die Datenauswertung auf dem PC erfolgt in Realtime, wobei über ein Langzeitdiagramm die ausgewählten Daten veranschaulicht werden (13).
Zwei verschiedene Arten von Proben sind erzeugt worden. Einmal gelötete Dioden mit Drahtbonds und gesinterte Dioden mit gesinterten Flechtbandkontaktierungen.
Die gelöteten Dioden haben einen Lift-Off des Bonddrahtes bei ca. 40.000 bis 50.000 Zyklen erfahren. Keiner der gesinterten Chips mit den Flechtbändern hat in dem Test einen Lift-Off erfahren. In einem Fall wurde die T_j um 10% nach ungefähr 300.000 Zyklen erhöht, und diese Probe wurde als defekt definiert (13). In 14 werden zwei typische T Kurven für gelötete und gesinterte Module dargestellt. Gelötete Module zeigen einen kontinuierlichen Anstieg in der Verbindungstemperatur während des Lastzyklustests. Dies beruht auf Rissen in der Lötschicht (15). Die gesinterten Beispiele zeigen ein sehr stabiles Temperaturverhalten über den gesamten Testverlauf.
Metallographische Analyse
Einige der Testobjekte werden durch Querschnittsbildung unter dem Mikroskop untersucht. Dieses Verfahren zeigt die Strukturveränderungen nach den Lastzyklustests. 15 zeigt einen Querschnitt einer gelöteten Diode nach 40.620 Zyklen. Als Lot wurde SnAg Lot genutzt. Die Dicke der Lötschicht entspricht ungefähr 80 μm. Lastzyklen beinhalten eine thermische Last und führen in diesem Fall zu Risslängen von ungefähr 150 μm.
Die Drahtbonds sind unter größerem Stress als die Lötschicht aufgrund ihrer kurzen ON-Zeit der Lastzyklen. Ein anderer Parameter, der die Zykluskapazität beeinflusst, ist die Dicke der Diode, in diesem Fall 460 μm. Diese relativ dicken Dioden haben eine größere thermische Kapazität, und daher wird der thermomechanische Stress verringert. 16 zeigt den Querschnitt eines Drahtes, der von der gelöteten Diode sich vollständig abgelöst hat.
Die gesinterte Diode ist in 17 nach ungefähr 300.000 Zyklen dargestellt. Die gesinterte Silberschicht zeigt keine Risse in den getesteten Modulen. Dies zeugt von der sehr hohen mechanischen Stabilität der gesinterten Schicht gegen thermomechanischen Stress.
Ein gesintertes Flechtband nach ungefähr 300.000 Zyklen wird in der 18 dargestellt. Das Flechtband ist mit einer Silberpaste in ein Eintauchprozess überzogen worden. Die Kupferflechtdrähte im inneren des Flechtbandes sind nicht vollständig mit Silberpaste bedeckt, aber sind eng aneinander gepresst. Die äußeren Kupferflechtdrähte sind perfekt mit der Silberschicht versintert.
Außerhalb der Fläche des oberen Presswerkzeugs ist kein Sinterdruck auf das beschichtete Band ausgeübt worden. Dies führt zu kleinen Lücken zwischen den Flechtdrähten. Es ist daher sinnvoll, das eine punktförmige Sinterung eines Kontaktbereiches, wenigstens 80% der Fläche eines flach auf den Kontaktbereich liegenden Flechtbandes einnimmt, und/oder dass der Stempel eine punktförmige Sinterung eines gesamten Kontaktbereichs mit dem aufliegenden Flechtband aufnimmt und wenigstens ein Randbereich der Sinterung aus dem Flechtband ausgepressten Silber den Kontaktbereichrand des Halbleiterbauelementes erreicht.
Das Beispiel, das die um 10% erhöhte ΔT hatte, zeigte lediglich einen kleinen Riss in dem Randbereich, aber keinerlei Ablösetendenzen in dem unter den Stempel vollständig gesinterten Bereich (19). Es kann angenommen werden, dass die in 18 erkennbare „offene Sinterung” der mechanisch besonders belasteten Randlitzendrähte vorteilhafte Auswirkungen auf die Zyklenfestigkeit hat. Sie bietet sich daher für Einsätze mit besonderem mechanischen Stress z. B. (Automotive und Eisenbahn) an.
20 zeigt fünf Darstellungen vorteilhafter Ausprägungen der verbindungsfördernden Randüberhöhung des stiftartigen Stempels – i) eben, ii) mit balligem Rand (201), iii) mit rechteckiger Randkante (202), iv) mit scharfer im Querschnitt dreieckigen Randkante (203), v) mit konkaver Druckfläche (204) mit vorspringendem Rand. Bezugszeichen 205 kennzeichnet eine Heizung in den Stempeln (86).
Durch das neue Verfahren kann wenigstens ein Faktor von 4–6 in der Lebenszeit solcher Kontaktierungen erreicht werden. Vorteilhaft an dem Verfahren ist weiter, dass eine leichte Automatisierung mit bisher bekannten Automaten möglich ist, und es nicht notwendig ist, aufwendiges, zusätzliches Equipment für diesen Drucksinterprozess zu entwickeln.
Diese Entwicklung wurde von der EU-Förderung für Schleswig-Holstein ESF EFRE, der Innovationsstiftung Schleswig-Holstein und der XYZTEC sowie der Danfoss AS, Dänemark gefördert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007057346 C2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- M. Helt, P. Jacob, G. Nikoletti, P. Scacco ”Fast Power cicling test of IGBT Modules and Traction Application: International Confcerence and Power Electronics and Drive Systems”, 1997 [0009]

Claims

Verfahren zur Kontaktsinterung eines Halbleiterbauelementes für die Leistungselektronik mit einem bandförmigen Kontaktelement, das an dem Halbleiterbauelement durch Drucksintern befestigt ist dadurch gekennzeichnet, dass das bandförmige Kontaktelement eine Flechtband-Kontaktleitung (85) aus einer Vielzahl metallischer Litzendrähte ist, eine überwiegende Benetzung der einzelnen Litzendrähte mit nasser Sinterpaste (84) im Bereich der kontaktaufnehmenden Endbereiche erfolgt, die Drucksinterung mit Hilfe eines mit Temperatur beaufschlagten Stempels (86) erfolgt, der punktförmig den Kontaktbereich mit Druck und Temperatur sintert.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flechtband aus mehr als 40 Litzendrähten besteht.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flechtband mit einer Tauchbenetzung mit Silbersinterpaste versehen wird.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nach der Benetzung getrocknet wird.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flechtband aus Litzendrähten aus Kupfer besteht.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzendrähte mit einer Nickel-/Gold-Oberfläche wenigstens im Bereich ihrer Tauchbenetzung versehen sind.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flechtband-Kontaktleitung Teil einer festen Kontaktleiste ist und die Flechtbänder als flexible Bänder mit jeweils mehr als 60 Litzendrähten länger als die Entfernung ihrer Kontaktpunkte ausgebildet sind.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flechtband-Kontaktleitung Teil einer festen Kontaktleiste ist und die Flechtbänder mehr als 15% länger als die Entfernung ihrer Kontaktpunkte auf Kontaktleiste und Halbleiteroberflächen ausgebildet sind.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flechtband-Kontaktleitung in einer festen, durch Umhüllungsspritzen gebildeten Modulrahmens gehaltert ist, der eine Anzahl von Kontaktleisten aufweist, die für verschiedene Potentiale ausgebildet sind.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flechtband-Kontaktleitung durch einen Stempel mit Druck und Temperatur beaufschlagt wird, der kleiner als der Kontaktbereich ist, und einen Randbereich mit nicht-dichtversinterten, sondern Hohlräume belassenden Litzendrähten belässt.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel eine punktförmige Sinterung eines Kontaktbereichs von wenigstens 80% der Fläche eines flach auf dem Kontaktbereich liegenden Flechtbands vornimmt, und der Randbereich den Kontaktbereich nicht überschreitet.
Verfahren zur Kontaktsinterung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel eine punktförmige Sinterung eines gesamten Kontaktbereichs mit dem auf liegenden Flechtbands vornimmt, und wenigstens ein Randbereich der Sinterung aus aus dem Flechtband ausgepressten Sintersilbers den Kontaktbereichrand des Halbleiterbauelements erreicht.