DE102011077757A1 - Verfahren zur Aushärtung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs und Kontaktstelle zwischen zwei Fügepartnern - Google Patents

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Dietmar Schaible
Jürgen Schwaiger
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aushärtung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs (12) mit elektrisch leitfähigen Partikeln, bei dem die Fügepartner (14, 16) mit einer Aufheizrate von mehr als mehr als 15 K/min, insbesondere mehr als 25 K/min, auf eine Temperatur von mehr als 180°C erwärmt werden. Durch den Einsatz eines langsamen Härtersystems, beispielsweise einem aminischen Härter, in Kombination mit einer sehr schnellen Erwärmung der Fügepartner auf Temperaturen 180°C oder mehr, kann die Gefügestruktur der Partikel derart optimiert werden, dass durchgängige, relativ massive metallische, elektrisch und thermisch leitfähige Pfade (20) entstehen. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs mit elektrisch leitfähigen Partikeln bei der Kontaktierung eines Leistungshalbleiters mit einem Schaltungsträger.

Description

  • Stand der Technik
  • Ag-gefüllte Epoxydharzklebstoffe werden für die Montage von passiven Bauelementen und von „Bare Dies” auf unterschiedlichen Schaltungsträgern (z. B. Leiterplatten, Keramiksubstrate, Leadframes) eingesetzt. Die Aushärtung des Klebstoffs erfolgt in der Regel bei Temperaturen von 120°C bis 150°C. Viele Entwicklungen zielen auf eine Reduzierung der Aushärtezeit ab, weshalb immer schnellere Aushärtesysteme (z. B. kationische Härter) zum Einsatz kommen. Für Leistungsanwendungen ist die, im Vergleich zum Löten, signifikant geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit von Ag-gefüllten Epoxydharzklebstoffen ein Nachteil.
  • In bisherigen Verfahren zur Aushärtung von Leitklebstoffen werde typischerweise Aushärteprofile mit einer Aufheizrate von 2 K/min bis 30 K/min bis einer vorgegebenen Aushärtetemperatur von ca. 120°C bis 150°C und einer Haltezeit von 10 min bis 120 min verwendet.
  • Während dem Aushärten von Silberpartikel enthaltenden Epoxydharzklebstoffen mit einem schnellen Härtungssystem (z. B. einem kationischen Härter) entstehen nur punktförmige Kontaktstellen zwischen den Ag-Partikeln (siehe 1). Dies gilt auch dann, wenn hochgefüllte Systeme mit ca. 90 Gewichts-% Silberanteil verwendet werden. Eine derartig erzeugte Kontaktstelle besitzt eine elektrische und thermische Leitfähigkeit, die deutlich schlechter ist, als die elektrische und thermische Leitfähigkeit einer Lötstelle.
  • Deswegen werden herkömmlicherweise für die Kontaktierung von Leistungshalbleitern folgende Konfigurationen verwendet.
  • Die Leistungshalbleiter (z. B. MOSFETs) werden mittels einem Lötprozess auf einem Schaltungsträger (in der Regel ein Leadframe) montiert. Die Vorderseiten kontaktierung erfolgt mittels Al-Dickdrahtbonden bzw. Al-Dünndrahtbonden für das Gate-Pad. Alternativ werden die Leistungshalbleiter mittels eines Lötprozesses auf einem Schaltungsträger (in der Regel einem Leadframe) montiert. Die Vorderseitenkontaktierung erfolgt mittels Cliplöten bzw. Al-Dünndrahtbonden für das Gate-Pad des Leistungshalbleiters. Für das Cliplöten ist eine lötbare Oberfläche, die beispielsweise mit Ag oder NiAu beschichtet ist, erforderlich.
  • Probleme werden dadurch verursacht, dass bei dem Lötprozess regelmäßig Spritzer von Lotmaterial entstehen, die in ungünstigen Fällen auf dem Kontaktstelle für dem Bonddraht haften, und die Bondhaftung negativ beeinflussen, sofern die Kontaktstelle ebenfalls eine lötbare Oberfläche besitzt. Zur Umgehung derartiger Bondhaftungsprobleme werden herkömmlich Leistungshalbleiter mit unterschiedlichen Vorderseitenmetallisierungen eingesetzt, die mittels eines kostenintensiven Sputterverfahrens hergestellt werden. Zusätzlich müssen vor dem Bonden Flussmittelreste vom Lötprozess entfernt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aushärtung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs mit elektrisch leitfähigen Partikeln, bei dem die Fügepartner mit einer Aufheizrate von mehr als 15 K/min, insbesondere mehr als 25 K/min, auf eine Temperatur von mehr als 180°C erwärmt werden. Durch den Einsatz eines langsamen Härtersystems, beispielsweise einem aminischen Härter, in Kombination mit einer sehr schnellen Erwärmung der Fügepartner auf Temperaturen 180°C oder mehr, kann die Gefügestruktur der Partikel derart optimiert werden, dass durchgängige, relativ massive metallische, elektrisch und thermisch leitfähige Pfade zwischen den Fügepartnern entstehen. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs mit elektrisch leitfähigen Partikeln bei der Kontaktierung eines Leistungshalbleiters mit einem Schaltungsträger.
  • Die Erfindung erzielt eine Verbesserung der thermischen und der elektrischen Leitfähigkeit einer Leitklebstoffverbindung. Dadurch ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten für Leitklebstoffe im Bereich der Leistungselektronik. Probleme die beim Löten und Bonden auftreten können, werden vermieden.
  • Elektrisch leitfähige Klebstoffe bestehen typischerweise aus einem Epoxidharz, einem Härter (z. B. Polyamin) und beigemengten elektrisch leitenden Partikeln. Die beigemengten elektrisch leitenden Partikeln bestehen bevorzugt aus einem Metall, besonders bevorzugt ist Silber. Es sind auch andere elektrisch leitende Materialien denkbar, wie elektrisch leitende Kunststoffe. Es können noch weitere Stoffe beigemengt werden, mit denen die physikalischen Eigenschaften des Klebstoffs, wie beispielsweise die Viskosität, beeinflusst werden können. Bei Überschreiten einer von der Zusammensetzung abhängigen Aktivierungstemperatur reagiert der Härter mit dem Epoxidharz und verursacht eine Vernetzung, so dass eine feste Kontaktstelle entsteht.
  • Man unterscheidet schnellhärtende und langsamhärtende Klebstoffsysteme. Schnelle Härtersysteme reagieren nach überschreiten der Aktivierungstemperatur (typisch ca. 100°C) sehr schnell (ca. 90% der Vernetzung innerhalb von 1 min). Langsame Härtersysteme oder aber gehemmte Härtersysteme beginnen ab einer Aktivierungstemperatur (typisch ca. 100°C) langsam zu vernetzen (90% der Vernetzung ist typischerweise erst nach 10 min oder länger erreicht).
  • Erfindungsgemäß wird durch den Einsatz eines langsamen Härtersystems (z. B. aminische Härter) in Kombination mit einer sehr schnellen Erwärmung der Fügepartner auf Temperaturen 180°C oder mehr, die Gefügestruktur der elektrisch leitfähigen Partikel derart optimiert, dass durchgängige, relativ massive metallische, elektrisch und thermisch leitfähige Pfade zwischen den Fügepartnern entstehen.
  • Werden Silberpartikel verwendet, so können sich bei einer Temperatur von mehr als 180°C die Silberatome an der Oberfläche der Partikel umlagern, was zur Bildung von „Sinterhälsen” zwischen den einzelnen Silberpartikeln führt. Die Erfindung beruht also darauf, bei einem langsamen Härtersystem die Fügepartner schnell auf eine Temperatur deutlich über der Aktivierungstemperatur zu erhitzen, so dass vor der Vernetzung der Klebstoffmoleküle eine Umorientierung bzw. Selbstorganisation der Atome zu Sinterpfaden stattfinden kann. Die reine Haltezeit bei der Aushärtezeit spielt dabei eine untergeordnete Rolle.
  • Zur Erreichung des gewünschten Effekts der Versinterung sollten Aufheizraten von mindestens 25 K/min, bevorzugt 50 bis 100 K/min und eine Aushärtetemperatur von mindestens 180°C, bevorzugt 200°C, verwendet werden.
  • Durch das Zusammensintern der Partikel entstehen elektrisch und mechanisch gut leitfähige Pfade in der Kontaktstelle, die eine niederohmige Anbindung eines Bauelements an einen Schaltungsträger erlaubt.
  • Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs mit elektrisch leitfähigen Partikeln bei der Kontaktierung eines Leistungshalbleiters mit einem Schaltungsträger.
  • Kontaktstellen aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff, die mit dem beschriebenen Verfahren ausgehärtet werden, eignen sich zur Kontaktierung von Leistungshalbleiterelementen. Es ist demnach eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Montage mittels eines Klebstoffs von Leistungshalbleitern auf einem Schaltungsträger, und/oder die Vorderseitenkontaktierung mittels Clip-Kleben bzw. Al-Dünndrahtbonden für das Gate-Pad zu ermöglichen.
  • Im Unterschied zum Stand der Technik wird sowohl für die Montage von Leistungshalbleiterelementen („Bare Dies”) auf einem Leadframe, wie auch für die Clipmontage Leitklebstoff anstatt Lot eingesetzt. Beim Aushärten des Leitklebstoffs kommt es zu keiner metallischen Kontamination der Gate-Bondpads, so dass eine einheitliche Vorderseitenmetallisierung (z. B. Ag-Oberfläche oder NiAu-Oberfläche) für „Clipkleben” und Gate-Bondung mittels Al-Dünndrahtbonden möglich ist. Dadurch kann bei der Herstellung der Leistungshalbleiterelemente der teure Sputterprozess entfallen und die Forderseitenmetallisierung mittel chemischer Abscheidung hergestellt werden. Zusätzlich kann der Reinigungsschritt zur Entfernung von Flussmittelresten entfallen.
  • Zeichnungen
  • 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Klebestelle, die nach einem herkömmlichen Verfahren ausgehärtet wurde.
  • 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Klebestelle, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehärtet wurde.
  • 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß kontaktiertes Halbleiterbauelement.
  • 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß kontaktiertes System aus zwei Halbleiterbauelementen.
  • 1 zeigt eine nach einem herkömmlichen verfahren gehärtete Klebestelle 10' zwischen zwei Fügepartnern 14 und 16. Als Klebstoff 12 wurde ein Epoxidklebstoff mit beigemengten Silberpartikeln verwendet. Die Aushärtung erfolgte mittels eines schnellen Härtersystems bei einer vergleichsweise langsamen Aufheizrate von weniger als 15 K/min. Wie deutlich zu erkennen ist, bilden sich im Wesentlichen keine durchgängigen Strukturen aus. Die Silberpartikel 20 bilden nur vereinzelt Kontaktstellen, aber liegen im Wesentlichen getrennt voneinander vor, wodurch die Wärmeleitfähigkeit durch die Klebestelle 10' im Vergleich zu einer metallischen Kontaktstelle vermindert ist.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch eine Klebestelle 10, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehärtet wurde. Der verwendete Klebstoff 12 ist ein Epoxidklebstoff mit beigemengten Silberpartikeln und einem langsamen Härtersystem. Die Fügepartner 14 und 16, die eine geringe thermischer Masse aufweisen, werden zum Aushärten direkt in den vortemperierten Ofen gestellt. Alternativ kann der Wärmeübertrag mittels einer Heizplatte erfolgen, die ebenfalls schon vortemperiert ist. Für den in diesem Beispiel untersuchten Klebstoff 12 wurde beobachtet, dass beim Aufheizen von Raumtemperatur (ca. 20°C) auf 200°C innerhalb von einer sehr kurzen Zeit (< 2 min) der Sintereffekt eintritt. Die durchgängigen, relativ massiven metallische leitfähigen Pfade 22 aus miteinander verbundenen Ag-Partikeln sind deutlich zu erkennen. Wird derselbe Klebstoff innerhalb von 20 min von Raumtemperatur auf 200°C aufgeheizt, ist der Effekt nicht mehr bzw. nur sehr vermindert sichtbar, es ergibt sich eine Struktur, ähnlich 1, ohne zusammenhängende Pfade.
  • 3 zeigt einen Aufbau 40 aus einem Leistungshalbleiter 42, der mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs 12 auf einem Schaltungsträger 44 (Lead-Frame) kontaktiert ist. Ein Kontakt-Clip 46 ist mit einem Ende 47 auf der Oberseite des Leistungshalbleiters 42 und mit dem anderen Ende 48 auf dem Schaltungsträger 44 kontaktiert. Der Gate-Anschluss 45 (Gate Pad) auf der Oberseite des Leistungshalbleiters ist mittels eines Al-Bonddrahtes 50 mit dem Schaltungsträger 44 kontaktiert. Die flächig ausgebildeten Kontaktstellen 32, 34, 36 zwischen dem Leistungshalbleiter 42 und dem Schaltungsträger 44, bzw. zwischen dem Leistungshalbleiter 42 und dem Kontakt-Clip 46, bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff 12, der Silberpartikel enthält und der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehärtet wurde. Sie weisen demnach eine verbesserte thermische und elektrische Leitfähigkeit auf.
  • 4 zeigt einen Aufbau 50 mit zwei Leistungshalbleitern 52 und 54, die jeweils in Sandwich-Bauweise zwischen zwei Schaltungsträgern 56 und 58 kontaktiert sind. Die Kontaktstellen 62, 64, 66, 68 zwischen den Leistungshalbleitern 52 und 54 und den Schaltungsträgern 56 und 58 sind jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff ausgebildet, der Silberpartikel enthält und der mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehärtet wurde. Sie weisen demnach eine verbesserte thermische und elektrische Leitfähigkeit auf.
  • In den beiden in 3 und 4 dargestellten Anordnungen können die Kontaktstellen entweder in einem ein- oder einem mehrstufigen Prozess kontaktiert und ausgehärtet werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Aushärtung einer Kontaktstelle (10, 32, 34, 36, 62, 64, 66, 68) zwischen zwei Fügepartnern (14, 16, 44, 46, 56, 58), wobei die Kontaktstelle (10, 32, 34, 36, 62, 64, 66, 68) durch einen elektrisch leitfähigen Klebstoff (12) gebildet wird, wobei der Klebstoff (12) elektrisch leitfähige Partikel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (14, 16, 44, 46, 56, 58) mit einer Aufheizrate von mehr als 15 K/min, insbesondere von mehr als 25 K/min, auf eine Temperatur von mehr als 180°C erwärmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel Silberpartikel umfassen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtetemperatur des Klebstoffs (12) mehr als 180°C, insbesondere mehr als 200°C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (14, 16, 44, 46, 56, 58) mit einer Aufheizrate von mehr als 50 K/min auf eine Temperatur von mehr als 180°C erwärmt werden.
  5. Kontaktstelle (10, 32, 34, 36, 62, 64, 66, 68) zwischen zwei Fügepartnern (14, 16, 44, 46, 56, 58), bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff (12), der elektrisch leitfähige Partikel enthält, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgehärtet wurde.
  6. Anordnung aus mindestens einem Halbleiterbauelement (42, 52, 54) und einem Schaltungsträger (44, 56, 58), wobei der elektrische Kontakt zwischen dem Halbleiterbauelement (42, 52, 54) und dem Schaltungsträger (44, 56, 58) durch eine Kontaktstelle nach Anspruch 4 gebildet wird.
  7. Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs (12) zur Herstellung einer Kontaktstelle (10, 32, 34, 36, 62, 64, 66, 68) zwischen einem Halbleiterbauelement (42, 52, 54) und einem Schaltungsträger (44, 56, 58), wobei der Klebstoff (12) ausgehärtet wird, indem der Klebstoff (12), der zwischen dem Halbleiterbauelement (42, 52, 54) und dem Schaltungsträger (44, 56, 58) angeordnet ist, mit einer Aufheizrate von mehr als 25 K/min auf eine Temperatur von mehr als 180°C erwärmt wird.
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