DE102012208304A1

DE102012208304A1 - Sinterwerkstoff für eine Verbindungsschicht für Halbleiter mit einstellbarem Porositätsgrad

Info

Publication number: DE102012208304A1
Application number: DE201210208304
Authority: DE
Inventors: Michael Guyenot
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sinterwerkstoff für eine Verbindungsschicht, insbesondere eine Sinterverbindungsschicht, für Halbleiter mit einstellbarem Porositätsgrad mit metallischen Strukturpartikeln (3), wobei organische, insbesondere polymere, beim Sinterprozess nicht ausgasende Weichpartikel (2) vorgesehen sind, eine aus dem Sinterwerkstoff hergestellte Sinterverbindung (6) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsschicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sinterwerkstoff für eine Verbindungsschicht, insbesondere eine Sinterverbindungsschicht, für Halbleiter mit einstellbarem Porositätsgrad gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine aus dem Sinterwerkstoff hergestellte Sinterverbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsschicht gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.
Stand der Technik
Leistungselektronik wird in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Gerade in elektrischen oder elektronischen Geräten, in welchen große Ströme fließen, ist der Einsatz von Leistungselektronik unumgänglich. Die in der Leistungselektronik notwendigen Stromstärken führen zu einer thermischen Belastung der enthaltenen elektrischen oder elektronischen Komponenten. Eine weitere thermische Belastung ist gegeben durch den Einsatz derartiger elektrischer oder elektronischer Geräte an Betriebsorten mit gegenüber der Raumtemperatur deutlich erhöhter und gegebenenfalls sogar ständig wechselnder Temperatur. Als Beispiele können hierfür Steuergeräte im Automobilbereich genannt werden, welche unmittelbar im Motorraum angeordnet sind.
Insbesondere viele Anbindungen zwischen Leistungshalbleitern beziehungsweise Integrierten Schaltungen (IC, englisch: integrated circuit) untereinander sowie an Trägersubstraten, unterliegen schon heute dauerhaften Temperaturbelastungen bis 175 Grad Celsius.
Üblicherweise erfolgt eine Anbindung von elektrischen oder elektronischen Komponenten – beispielsweise auf ein Trägersubstrat – durch eine Verbindungsschicht. Als eine derartige Verbindungsschicht sind Lotverbindungen bekannt.
Zumeist werden Weichlote eingesetzt, welche Zinn-Silber- oder Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen basieren. Besonders bei Anwendungstemperaturen nahe der Schmelztemperatur zeigen derartige Verbindungsschichten jedoch schwindende elektrische und mechanische Eigenschaften, die zu einem Ausfall der Baugruppe führen können.
Bleihaltige Lotverbindungen sind bei höheren Einsatztemperaturen einsetzbar als Weichlotverbindungen. 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 Grad Celsius, bleifreie Hartlote an. Bleifreie Hartlote weisen in der Regel einen höheren Schmelzpunkt als 200°C auf. Bei der Verwendung von Hartlot zur Ausbildung einer Verbindungsschicht kommen jedoch nur wenige elektrische oder elektronische Komponenten als Fügepartner in Frage, die den hohen Temperaturen beim Schmelzen der Hartlote standhalten können.
Einen Ausweg zeigt die Niedertemperaturverbindungstechnologie (NTV) auf, bei der silberhaltige Sinterverbindungen bei bereits wesentlich geringeren Temperaturen als der Schmelztemperatur erzeugt werden können. Anstelle eines Lots wird hierbei eine Paste eingesetzt, die chemisch stabilisierte Silberpartikel und/oder Silberverbindungen enthält. Unter den Sinterbedingungen, insbesondere unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung, werden dabei die stabilisierenden Bestandteile ausgebrannt und/oder die Silberverbindungen aufgebrochen, so dass die Silberpartikel beziehungsweise freigesetzten Silberatome untereinander und mit dem Material der Fügepartner in direkten Kontakt kommen. Durch Interdiffusion und/oder Diffusion kann dabei bei bereits deutlich geringeren Temperaturen als der Schmelztemperatur eine hochtemperaturstabile Verbindung ausgebildet werden. Unter Temperaturwechselbeanspruchung können jedoch bei derartigen Sinterverbindungen thermomechanische Spannungen und sogar eine Rissbildung in Halbleiterbauelementen oder sogar im Trägersubstrat auftreten.
In der DE 10 2009 000 192 A1 wird ein Sinterwerkstoff und eine daraus herstellbare Verbindung von elektronischen Bauteilen beschrieben, die aus verschiedenen Partikeln hergestellt wird. Neben den metallischen, mit einer organischen Beschichtung versehenen Strukturpartikeln, die für die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Verbindungsschicht verantwortlich sind, werden metallische oder keramische Hilfspartikel vorgesehen, die beim Sinterprozess nicht ausgasen. Auf diese Weise wird der Organikgehalt des Sinterwerkstoffs herabgesetzt und die Gasbildung bei der Herstellung und damit die Porosität der Sinterverbindung reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sinterwerkstoff mit metallischen Strukturpartikeln. Erfindungsgemäß sind in dem Sinterwerkstoff organische, insbesondere polymere, beim Sinterprozess nicht ausgasende Weichpartikel vorgesehen.
Unter dem Begriff organische Weichpartikel werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere solche Partikel verstanden, die nicht aus einem keramischen und nicht aus einem metallischen Material sind. Bevorzugt sind die Weichpartikel aus einem Polymermaterial oder aus einer Mischung von verschiedenen Polymeren ausgebildet.
Die Weichpartikel der vorliegenden Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass sie beim Sinterprozess nicht ausgasen und daher im gesinterten Endprodukt verbleiben. Dadurch ist es erstmals möglich, auf Basis der frei wählbaren Größe der einzusetzenden Weichpartikel die Porosität der aus dem Sinterwerkstoff resultierenden Sinterschicht in weiten Bereichen einzustellen. Bisher war der Porositätsgrad einer gattungsgemäßen Sinterschicht stets von dem ausgasenden Organikanteil des Sinterwerkstoffs und von den übrigen Prozessparametern wie Druck und Temperatur abhängig. Daher war eine gezielte Einstellung der Porosität nur sehr schwer möglich oder es waren aufwendige Vorversuche nötig, um eine vorgegebene Porosität zu erreichen.
Die Weichpartikel der vorliegenden Erfindung zeichnen sich weiterhin dadurch aus, dass sie vor allem im Vergleich zu den Strukturpartikeln einen geringen Elastizitätsmodul aufweisen und unter den Einsatzbedingungen der fertigen Sinterverbindung elastisch sind. Hierdurch können beispielsweise Spannungen im fertigen Bauteil bei Temperaturwechseln leichter ausgeglichen werden oder treten sogar nur in verringertem Umfang auf. Eine Rissbildung in der aus dem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff resultierenden Sinterschicht, und insbesondere in der gesinterten Struktur aus den Strukturpartikeln, kann daher effizient vermieden werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff ist außerdem eine Verarbeitung mit hohem Sinterdruck möglich, da einerseits die Weichpartikel durch ihren geringen Elastizitätsmodul auch größeren Drücken standhalten können und da andererseits die Porosität der resultierenden Sinterschicht nunmehr nicht mehr von dem Sinterdruck abhängig ist. Ein höherer Sinterdruck erlaubt wiederum ein Sintern bei vergleichsweise geringeren Temperaturen, was Material schonend ist und eine Energie effiziente Herstellung von Sinterverbindungsschichten im industriellen Maßstab mit großer Flexibilität beim Design, mit hoher Zuverlässigkeit und mit hohem Durchsatz begünstigt. Insgesamt ist mit dem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff eine Verarbeitung derart möglich, dass sie in die vorhandenen Prozesse einer Baugruppenfertigung ohne Weiteres integrierbar ist.
Unter dem Begriff metallische Strukturpartikel werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere solche Partikel aus Metall verstanden, die zur Herstellung einer Schicht für die elektrische und thermische Verbindung von elektronischen Bauteilen durch Sintern geeignet sind. Die metallischen Strukturpartikel können angepasst an die zu fügenden Bauteile aus einem einzigen Metall, aus einer Mischung von Metallen, beispielsweise in Form von beschichteten Partikeln, oder aus Metalllegierungen bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Sinterwerkstoff als, vorzugsweise mindestens ein organisches Lösungsmittel und/oder Wasser umfassende, Sinterpaste, oder als Pulvermischung, oder als Sintermaterialvorform ausgebildet.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Sinterwerkstoff um Sinterpaste, ganz besonders bevorzugt um Silbersinterpaste, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn die Sinterpaste organisches Lösungsmittel und/oder Wasser zur Gewährleistung der pastösen Eigenschaften umfasst. Dies ermöglicht eine Verarbeitung über Druckbzw. Rakeltechniken, die auch in industriellem Maßstab bevorzugt angewandt werden und auch für kleine Auftragungsdicken eine sehr genaue und qualitativ zuverlässige Verarbeitung sicher stellen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann es sich bei dem Sinterwerkstoff auch um eine Pulvermischung handeln. Ebenso ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der der Sinterwerkstoff als Sintermaterialvorform (Preform), also bereits als Formkörper, ausgebildet ist. Der Formkörper kann bereits fertig gesintert oder nur zur Formgebung getrocknet sein. Insbesondere bevorzugt kann der Formkörper in seinen Abmessungen an die Dimensionen der Fügepartner angepasst sein, um einen optimalen Wärmeausgleich und eine optimale elektrische Verbindung zwischen den Fügepartnern durch eine maximierte Verbindungsfläche zu ermöglichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schmelztemperatur und/oder die Zersetzungstemperatur der Weichpartikel größer als die Sinterprozesstemperatur.
Hierdurch wird bevorzugt sichergestellt, dass kein Ausgasen während des Sintervorgangs stattfindet. Außerdem kann die Sinterprozesstemperatur gleichzeitig den Erweichungspunkt der Weichpartikel übersteigen, so dass sich aus den eingesetzten Partikeln größere Verbünde oder beispielsweise globulare Inseln bilden können, jedoch wird ein generelles Verbleiben des Weichmaterials in der herzustellenden Sinterverbindungsschicht sicher gestellt. Auf diese Weise können wiederum die Porengrößen in der Sinterverbindungsschicht definiert werden und daneben ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften der Sinterverbindungsschicht maßgeschneidert auf die Eigenschaften der Fügepartner einzustellen.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der mittlere Durchmesser d₅₀ der Weichpartikel zwischen 1,0 µm und 20,0 µm, vorzugsweise zwischen 5,0 µm und 15,0 µm.
Unter dem Begriff des mittleren Durchmessers d₅₀, auch mittlere Partikelgröße genannt, kann insbesondere die Größe verstanden werden, bei der 50 Vol.-% der Probe einen kleineren Partikeldurchmesser und 50 Vol.-% der Probe einen größeren Partikeldurchmesser aufweisen (so genannter d₅₀-Wert). Die Bestimmung der Partikelgröße kann zum Beispiel durch Laserstreuung und Auswertung der Streumuster, beispielsweise nach der Mie-Theorie, durch andere optische Analyseverfahren wie beispielsweise Mikroskopie oder durch ein Siebanalyseverfahren erfolgen.
Durch die Wahl des mittleren Durchmessers der Weichpartikel kann vorteilhaft die gewünschte Porengröße sowie die vorgesehene Schichtdicke der resultierenden Sinterverbindungsschicht angepasst werden. Hierdurch können die aufgrund der Elastizität der Weichpartikel verbesserten mechanischen Eigenschaften der Verbindungsschicht derart eingesetzt werden, dass die auftretenden thermisch induzierten Spannungen zwischen den Fügepartnern bei Wechselbelastung ohne Auftreten von Rissen in der Verbindungsschicht auch langfristig ausgeglichen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Material der Weichpartikel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyepoxid (Epoxyharz), Polyurethan (PU), Polyacetat, Polyamid (PA), Polycarbonat und Mischungen daraus.
Die Auswahl des spezifischen Materials der Weichpartikel oder einer Kombination von verschiedenen Weichpartikeln kann vorteilhaft eingesetzt werden, um sowohl die thermischen als auch die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Sinterverbindungsschicht auf das bekannte Wechseltemperaturverhalten der Fügepartner einzustellen. Daneben kann das Material der Weichpartikel anhand der jeweiligen Sinterprozesstemperatur und dem Sinterprozessdruck für die ausgewählten Strukturpartikel angepasst werden. Sollen beispielsweise höhere Sinterprozesstemperaturen von ca. 200°C eingesetzt werden, so wählt man beispielsweise ein Polyepoxid oder ein Polyacetat mit entsprechend hoher Zersetzungstemperatur aus, während bei einer niedrigeren Sintertemperatur ein weicheres Polyvinylchlorid ausgewählt werden könnte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Material der Weichpartikel ein elektrisch leitendes Polymer.
Unter dem Begriff eines elektrisch leitenden Polymers werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere elektrisch selbstleitende Polymere und auch Polymere mit elektrisch leitenden Additiven verstanden. Beispiele für elektrisch selbstleitende Polymere sind unter anderen Polyacetylen (PAC), Polyanilin, Polyparaphenylen, Polypyrrol, PEDOT: PSS, Polyphenylenvinylen und Polyfluren. Beispiele für elektrisch leitende Polymere mit leitenden Additiven sind unter anderen Polyacrylate, Polyepoxide, Polyurthane, Polyvinyle, Polyetheretherketon (PEEK) und Polyehtylen sowie Polypropylen, welche elektrisch leitende Additive wie beispielsweise Aluminiumflocken oder Ruß umfassen.
Vorteilhafterweise kann durch die Auswahl von elektrisch leitenden Weichpartikeln für den erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff neben der Einstellung des Porositätsgrads unabhängig von den Parametern des Sinterprozesses und den damit einhergehenden Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften zum Ausgleich von thermomechanischen Spannungen zwischen den Fügepartnern auch ein partieller Ersatz der metallischen Strukturpartikel und damit ein partieller Ersatz des oft sehr hochpreisigen Edelmetallmaterials erzielt werden, ohne eine Einschränkung in der elektrischen Leitfähigkeit der Sinterverbindungsschicht in Kauf zu nehmen. Durch die erfindungsgemäße Kombination von metallischen sinterbaren Strukturpartikeln mit den beschriebenen Weichpartikeln, die außerdem auch elektrisch leitfähig sein können, kann erstmals ein Sinterwerkstoff zur Verfügung gestellt werden, der nicht nur ein Ersatz für eine herkömmliche Lotverbindung darstellt sondern auch in seinen Ausgleichseigenschaften bei Wechseltemperaturbelastung und anderen mechanischen Einflüssen eine verbesserte Stabilität und Langlebigkeit der resultierenden Verbindung bei gleichzeitig exzellenter elektrischer Leitfähigkeit sicher stellen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Material der Strukturpartikel Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium und/oder Nickel. Im Hinblick auf die Ausbildung der Strukturpartikel gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der es sich bei den Strukturpartikeln um Silberpartikel handelt. Zusätzlich oder alternativ können als Kupferpartikel, Goldpartikel, Nickelpartikel oder Palladiumpartikel ausgebildete Strukturpartikel vorgesehen sein. Auch ist es möglich, eine Mischung aus vorgenannten Partikeln als Strukturpartikel zu verwenden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, die Strukturpartikel aus Legierungen auszubilden, die bevorzugt mindestens eines der vorgenannten Metalle umfassen. Weiterhin ist es möglich, beschichtete Strukturpartikel einzusetzen, wobei die Beschichtung sowohl metallisch als auch nicht-metallisch sein kann. Als Beispiel für eine metallische Beschichtung können mit Kupfer oder Gold beschichtete Silberpartikel genannt werden. Als Beispiel für eine nicht-metallische Beschichtung können mit einer organischen Substanz wie zum Beispiel Ölsäure beschichtete Kupfer- oder Silberpartikel genannt werden.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Material der Strukturpartikel Silber und das Material der Weichpartikel Epoxyharz umfasst.
Diese Kombination von Silberpartikeln als Strukturpartikel mit einem temperaturbeständigen Epoxyharz als Weichpartikel kann sich als besonders vorteilhaft erweisen, da Silberpartikel sich nach bisheriger Kenntnis sowohl von seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten her als auch von seinen elektrisch leitenden, mechanischen und Sintereigenschaften her als optimaler Ersatz für Lote, insbesondere als Ersatz für Hochtemperatur belastete bleihaltige Lote, etabliert haben. Die Kombination mit Epoxyharzen als Weichpartikel wird als besonders bevorzugt angesehen, da sich Epoxyharze in ihrer Verarbeitung in der Elektronikindustrie ebenfalls sehr gut etabliert haben und daneben ihre mechanischen Eigenschaften auch bei höheren Verarbeitungstemperaturen bestens bekannt sind. Auf diese Weise kann die Kombination dieser beiden Werkstoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung ohne Probleme in die bestehenden Produktionsprozesse und Beschaffungsprozesse eingebunden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt das Mischungsverhältnis der Strukturpartikel zu den Weichpartikeln zwischen 10:1 und 1:1, vorzugsweise zwischen 6:1 und 2:1 und insbesondere bei 3:1.
Das Mischungsverhältnis der Strukturpartikel und der Weichpartikel in einem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff kann in weiten Bereichen variieren, insbesondere unter Berücksichtigung der ausgewählten Materialien. So kann beispielsweise bei der Auswahl eines elektrisch leitenden Polymers als Material für die Weichpartikel ein höherer Anteil von Weichpartikeln eingesetzt werden, weil die elektrische und in Maßen auch die thermische Leitfähigkeit der resultierenden Verbindungsschicht weniger herabgesetzt werden als bei der Auswahl eines nicht leitenden Polymermaterials. Insbesondere bei dem Einsatz von nicht leitenden Polymeren als Weichpartikel, zum Beispiel aus Kostengründen, sollte der Anteil der Strukturpartikel größer sein als der der Weichpartikel, um eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine auch auf Langzeiteinsatz ausgelegte Temperaturbeständigkeit bereit zu stellen. Unter Berücksichtigung dieser Vorgaben hat sich ein Verhältnis zwischen 6:1 und 2:1, und insbesondere von 3:1, der Strukturpartikel zu den Weichpartikeln als besonders vorteilhaft gezeigt, vor Allem hinsichtlich der ausgleichenden mechanischen Eigenschaften und hinsichtlich der Verarbeitbarkeit.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Sinterverbindung umfassend einen ersten Fügepartner und mindestens einen zweiten Fügepartner, die in einem Fügebereich miteinander versintert sind. Erfindungsgemäß sind im Fügebereich metallische miteinander versinterte Strukturpartikel und organische, insbesondere polymere, beim Sinterprozess zum Herstellen der Sinterverbindung nicht ausgasende Weichpartikel angeordnet.
Eine solche Sinterverbindung, hergestellt aus einem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff, zeigt insbesondere durch die nunmehr unabhängig von den Sinterparametern bestimmte Porengröße und durch das gleichzeitige Vorhandensein der Weichpartikel in der fertigen Sinterverbindungsschicht eine sehr gute mechanisch ausgleichende Eigenschaft, die thermomechanischen Spannungen zwischen den verschiedenen miteinander verbundenen Werkstoffe abzufangen und eine langzeitstabile Verbindung zwischen den zumeist unterschiedlichen Fügepartnern sicher zu stellen. Die vorteilhaften elektrischen und thermischen Leiteigenschaften der erfindungsgemäßen Sinterverbindungsschicht bleiben gleichzeitig durch die Strukturpartikel erhalten. Auf diese Weise wird nicht nur ein Ersatz für die herkömmlich eingesetzten Lotverbindungen oder Sinterverbindungen zur Verfügung gestellt, sondern es wird eine deutliche Verbesserung in der Langzeitstabilität und in den mechanischen Eigenschaften der Schicht erzielt durch den im Vergleich zu dem der Strukturpartikel geringen Elastizitätsmodul der in der Schicht verbleibenden Weichpartikel.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sinterverbindung sind/ist der erste und/oder der zweite, vorzugsweise beschichtete, insbesondere mit Nickel-Phosphor, Silber und/oder Gold beschichtete, Fügepartner als elektronisches Bauelement, vorzugsweise aus Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Galliumindiumphosphit, oder Galliumarsenid, oder als elektrischer, insbesondere bestückter, Schaltungsträger, oder als Gehäuse, oder als, insbesondere als DCB-, AMB-, IMS-, PCB-, LTCC-, Standardkeramik-Substrat ausgebildete, Grundplatte ausgebildet.
Bevorzugt wird die nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Sinterverbindung bei Produkten eingesetzt, bei denen eine elektrische Verbindung zu elektrischen Bauelementen hergestellt werden muss. Insbesondere können bisher zum Einsatz kommende Lotverbindungen durch eine mittels eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Sinterwerkstoffs hergestellte Sinterverbindung substituiert werden. Die mittels des Sinterwerkstoffs hergestellte Sinterverbindung kann bei hohen Temperaturen eingesetzt werden und/oder bei Bauelementen mit hohen Verlustleistungen, welche dadurch einer relativ starken Wechseltemperaturbelastung ausgesetzt sind. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Sinterverbindung können bisher auftretende Lebensdauereinschränkungen überwunden werden. Dies ist insbesondere bei der Ausbildung der Weichpartikel als elektrisch leitende Polymere gegeben, da hier die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Verbindung wie bei herkömmlichen Verbindungen aus Lot oder rein aus Metall erhalten werden kann. Beispiele für Einsatzgebiete sind: Leistungsendstufen von elektrischen Servolenkungen, Leistungsendstufen von universellen Wechselrichteinheiten, Regelelektroniken, insbesondere am Starter und/oder Generator, Einpressdioden an Generatorschildern, hochtemperaturstabile Halbleiter, wie Siliziumkarbid, oder auch Sensoren, die unter hoher Temperatur betrieben werden und eine sensornahe Auswerteelektronik benötigen. Auch ist der Einsatz bei Halbleiterdioden möglich. Auch ist die Sinterverbindung bei Modulen für Wechselrichter, insbesondere an Photovoltaikanlagen, einsetzbar.
Im Hinblick auf die Ausbildung der mindestens zwei miteinander versinterten Fügepartner gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So kann zumindest einer der Fügepartner beispielsweise als elektronisches Bauelement, insbesondere als Halbleiterbauelement, vorzugsweise als Leistungshalbleiterbauelement, ausgebildet sein. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn dieses Bauteil Silizium, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Galliumphosphid oder Galliumarsenid umfasst. Weiter bevorzugt ist es, wenn ein derartiges Bauteil mit einem elektrischen Schaltungsträger mittels einer Sinterschicht verbunden wird. Auch ist es möglich, einen, insbesondere bestückten, Schaltungsträger und eine Grundplatte und/oder ein Gehäuse mittels einer Sinterverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung zu versintern. Auch kann ein Bauelement, insbesondere ein elektronisches Bauelement, mit zwei, vorzugsweise voneinander abgewandten Sinterverbindungen, sandwichartig zwischen zwei Fügepartner eingebracht werden, die eine elektrische Kontaktierung des Bauelementes nach oben und/oder unten sicherstellen. Im Falle der Ausbildung eines der Fügepartner als Grundplatte ist es bevorzugt, dieses als sogenanntes DCB-Substrat oder AMB-Substrat oder IMS-Substrat oder PCB-Substrat oder LTCC-Substrat oder Standardkeramiksubstrat auszubilden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sinterverbindung, bei dem ein erster und mindestens ein zweiter Fügepartner in einem Sinterprozess unter Druck- und Temperatureinwirkung unter Verwendung von Sinterwerkstoff miteinander versintert werden, wobei ein erfindungsgemäßer Sinterwerkstoff einer oder einer Kombination von mehreren der vorstehenden Ausführungsformen verwendet wird.
Kern des Gedankens ist es, im Fügebereich wie in der vorangehenden Beschreibung oder in den Ansprüchen beschrieben ausgebildete Weichpartikel vorzusehen, wobei es möglich ist, einen mit derartigen Weichpartikeln versehenen Sinterwerkstoff einzusetzen und/oder die Weichpartikel als solches, die entweder auf zumindest einem der Fügepartner im Fügebereich aufgebracht werden und/oder auf den aufgebrachten, insbesondere aufgedruckten Sinterwerkstoff. Ein weiteres Ziel des Vorsehens der Weichpartikel neben den vorstehend genannten ist es, eine übermäßige Gasblasenbildung durch eine Reduktion des Organikanteils zu vermeiden und eine Einstellung der Porosität unabhängig von den Parametern des Sinterprozesses vornehmen zu können.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine Ausführungsform einer elektronischen Anordnung mit insgesamt drei Fügepartnern und zwei Sinterverbindungen
2 eine alternative Ausführungsform einer elektronischen Anordnung mit insgesamt drei Fügepartnern und zwei Sinterverbindungen
In 1 ist eine elektronische Anordnung 1 gezeigt. Diese umfasst einen oberen ersten Fügepartner 4 sowie einen darunter befindlichen zweiten Fügepartner 5. Die beiden Fügepartner 4, 5 sind über eine aus einem nicht dargestellten Sinterwerkstoff hergestellten Sinterverbindung 6 miteinander versintert. Dieser Aufbau wiederholt sich nach unten hin dergestalt, dass ein weiterer Fügepartner 4 unterhalb des zweiten Fügepartners 5 angeordnet ist und mit diesem ebenfalls über eine Sinterverbindung 6 versintert ist. Der Sinterwerkstoff zur Herstellung der Sinterverbindung 6 enthielt und die daraus resultierende Sinterschicht 6 enthält nach dem Sinterprozess neben metallischen Strukturpartikeln Weichpartikel 2, die organisch waren/sind und durch den Sinterprozess nicht ausgasen sondern in der Sinterverbindung 6 verbleiben. Bei dem zum Einsatz kommenden Sinterwerkstoff kann es sich alternativ um eine Sinterpaste, eine Pulvermischung oder ein Sinterformteil handeln. Die Weichpartikel 2, welche in der gezeigten 1 in der oberen Sinterverbindung 6 aus einem anderen Polymermaterial ausgebildet sind als in der unteren Sinterverbindung 6, dienen zur gezielten Einstellung der Porosität in der Sinterverbindung 6, zur Reduzierung des Organikanteils und damit zur Reduzierung der Gasbildung beim Sintern der Sinterpartner. Die Weichpartikel 2 zeichnen sich im Wesentlichen dadurch aus, dass sie gegenüber dem Sinterprozess inert sind, d. h. diesen zumindest näherungsweise unverändert überstehen und gerade nicht ausgasen. Außerdem weisen die Weichpartikel 2 einen geringeren Elastizitätsmodul gegenüber dem gesinterten Metall aus den Strukturpartikeln auf und sind bei den üblichen Einsatztemperaturen der elektronischen Anordnung 1 elastisch, was sich positiv auf die Vermeidung von Rissbildungen durch thermomechanische Spannungen in der elektronischen Anordnung 1 auswirkt. Bei dem ersten Fügepartner 4 handelt es sich jeweils beispielsweise um ein elektronisches Bauelement, beispielsweise eine Leistungshalbleiter, und bei dem zweiten Fügepartner 5 beispielsweise um einen Schaltungsträger. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem ersten Fügepartner 4 jeweils um einen bestückten Schaltungsträger und bei dem zweiten Fügepartner 5 um eine Grundplatte oder eine Wärmesenke handelt.
In 2 ist eine alternative elektronischen Anordnung 1 gezeigt. Diese umfasst neben den ersten beiden, hier außen angeordneten Fügepartnern 4 einen zweiten Fügepartner 5, bei dem es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise um ein elektronisches Bauelement handelt. Der obere und der untere Fügepartner 4 ist bevorzugt jeweils als Schaltungsträger oder Grundplatte oder Gehäuse etc. ausgebildet. Sowohl zwischen dem oberen Fügepartner 4 und dem zweiten Fügepartner 5 als auch zwischen dem unteren Fügepartner 4 und dem zweiten Fügepartner 5 befindet sich jeweils eine Sinterverbindung 6, die jeweils aus einem Sinterwerkstoff hergestellt wurde. Dieser Sinterwerkstoff enthielt organische, insbesondere polymere, Weichpartikel 2, die beim Sinterprozess unter Anwendung von Druck und Temperatur nicht ausgasen. Die in der 2 gezeigten Weichpartikel 2 weisen einen größeren mittleren Durchmesser d₅₀ auf als die Weichpartikel 2, die in 1 gezeigt sind. Das kann entweder dadurch erzielt worden sein, dass ein solches Material und solche Sinterprozesstemperaturen gewählt wurden, dass in dem Sinterwerkstoff vorgesehene kleinere Weichpartikel im Verlauf des Sinterprozesses zusammengeschmolzen sind und in der fertigen Sinterverbindung 6 beispielsweise globulare Inseln bilden. Gleichermaßen können die gezeigten Weichpartikel 2 bereits im Sinterwerkstoff mit der größeren Partikelgröße vorgesehen worden sein.
Die schematisch dargestellten Weichpartikel 2 weisen in sämtlichen Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 eine wesentlich größere Korngröße auf als die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht eingezeichneten versinterten Strukturpartikel der Sinterschicht 6. Die Weichpartikel 2 zeichnen sich im Wesentlichen dadurch aus, dass sie gegenüber dem Sinterprozess inert sind, d. h. diesen zumindest näherungsweise unverändert überstehen.
Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch; der Austausch und die Substitution dieser Lehren mit anderen Lehren, die in dieser Druckschrift enthalten sind mit den zitierten Druckschriften werden ebenfalls ausdrücklich erwogen. Der Fachmann erkennt, dass Variationen, Modifikationen und andere Ausführungen, die hier beschrieben werden, ebenfalls auftreten können ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Entsprechend ist die obengenannte Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Die in den Ansprüchen verwendeten Worte schließen nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der unbestimmte Artikel „ein“ schließt nicht die Bedeutung eines Plurals aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maße in gegenseitig verschiedenen Ansprüchen rezitiert werden, verdeutlicht nicht, dass eine Kombination von diesen Maßen nicht zum Vorteil benutzt werde kann. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert und den dazugehörigen Äquivalenten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000192 A1 [0009]

Claims

Sinterwerkstoff mit metallischen Strukturpartikeln (3), dadurch gekennzeichnet, dass organische, insbesondere polymere, beim Sinterprozess nicht ausgasende Weichpartikel (2) vorgesehen sind.
Sinterwerkstoff nach Anspruch 1, wobei dieser als, vorzugsweise mindestens ein organisches Lösungsmittel und/oder Wasser umfassende, Sinterpaste, oder als Pulvermischung, oder als Sintermaterialvorform ausgebildet ist.
Sinterwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schmelztemperatur und/oder die Zersetzungstemperatur der Weichpartikel (2) größer ist als die Sinterprozesstemperatur.
Sinterwerkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der mittlere Durchmesser d₅₀ der Weichpartikel (2) zwischen 1,0 µm und 20,0 µm beträgt, vorzugsweise zwischen 5,0 µm und 15,0 µm.
Sinterwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Weichpartikel (2) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyepoxid (Epoxyharz), Polyurethan (PU), Polyacetat, Polyamid (PA), Polycarbonat und Mischungen daraus.
Sinterwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Weichpartikel (2) ein elektrisch leitendes Polymer umfasst.
Sinterwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Strukturpartikel (3) Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium und/oder Nickel umfasst.
Sinterwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Strukturpartikel (3) Silber und das Material der Weichpartikel (2) Epoxyharz umfasst.
Sinterwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mischungsverhältnis der Strukturpartikel (3) zu den Weichpartikeln (2) zwischen 10:1 und 1:1, vorzugsweise zwischen 6:1 und 2:1 liegt, und insbesondere bei 3:1.
Sinterverbindung (6) umfassend einen ersten Fügepartner (4) und mindestens einen zweiten Fügepartner (5), die in einem Fügebereich miteinander versintert sind, wobei im Fügebereich metallische, versinterte Strukturpartikel und organische, insbesondere polymere, beim Sinterprozess zum Herstellen der Sinterverbindung (6) nicht ausgasende Weichpartikel (2) angeordnet sind.
Sinterverbindung (6) nach Anspruch 10, wobei der erste und/oder der zweite, vorzugsweise beschichtete, insbesondere mit Nickel-Phosphor, Silber und/oder Gold beschichtete, Fügepartner (4, 5) als elektronisches Bauelement, vorzugsweise aus Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Galliumindiumphosphit, oder Galliumarsenid, oder als elektrischer, insbesondere bestückter, Schaltungsträger, oder als Gehäuse, oder als, insbesondere als DCB-, AMB-, IMS-, PCB-, LTCC-, Standartkeramik-Substrat ausgebildete, Grundplatte ausgebildet sind/ist.
Verfahren zur Herstellung einer Sinterverbindung (6), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 10 bis 11, bei dem ein erster und mindestens ein zweiter Fügepartner (4, 5) in einem Sinterprozess unter Druck- und Temperatureinwirkung unter Verwendung von Sinterwerkstoff miteinander versintert werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sinterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.