Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5690
Main Title: Transient Liquid Phase Soldering als Verbindungstechnik leistungselektronischer Halbleiter für Hochtemperaturanwendungen
Translated Title: Transient liquid phase soldering as joining technology of high power semiconductor for high temperature applications
Author(s): Ehrhardt, Christian
Advisor(s): Lang, Klaus-Dieter
Referee(s): Lang, Klaus-Dieter
Nowottnick, Mathias
Müller, Jens
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In zahlreichen Anwendungsfeldern der Elektronik besteht der Wunsch oder die Notwendigkeit die Einsatztemperatur des elektronischen Moduls zu erhöhen, wie beispielsweise in der Leistungselektronik, um aufwändige Kühlsysteme einzusparen. Dazu bedarf es Bauteile, Substratmaterialien und Verbindungstechniken, welche zuverlässig bei diesen erhöhten Betriebstemperaturen sind. Die derzeit am häufigsten eingesetzte flächige Verbindungstechnik für leistungselektronsiche Module ist das Löten. Dazu werden in der Regel Sn-basierte Weichlote eingesetzt, welche infolge thermomechanischer Belastung bei Temperaturen oberhalb von 150 °C so schnell versagen, dass auch durch Zulegieren festigkeitssteigernder Elemente wie Antimon diese nicht in Frage kommen. Goldreiche Lote, Silbersintern oder reine Goldverbindungen sind mögliche Verbindungstechnologien für Einsatztemperaturen über 150 °C, welche aufgrund Ihres Rohstoffpreises bzw. der komplizierten Prozesstechnik begrenzt Anwendung finden. Eine weitere Alternative, um hochtemperaturstabile Verbindungsschichten zu erzeugen, ist die vollständige Umwandlung der Fügestelle in intermetallische Phasen. Dieser Ansatz soll in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Zur Erzeugung einer durchgehenden intermetallischen Verbindungschicht zwischen zwei Fügepartnern sind grundlegend zwei Vorgehensweisen möglich. Die bereits bekannte und eingesetzte Methode ist, dass „Schichtsysteme“ verwendet werden, bei denen ein Durchwachsen der intermetallischen Phasen von den Grenzflächen der Fügepartner erzielt wird. Das Lot, welches zwischen den beiden Verbindungskomponenten positioniert ist, schmilzt während des Fügeprozesses auf und reagiert mit den höherschmelzenden Grenzflächen der Verbindungspartner unter Bildung intermetallischer Phasen. Um eine vollständig durchgewachsene intermetallische Verbindungsschicht zu erzeugen, sind Prozesstemperaturen von teilweise über 300 °C, Haltezeiten von mehr als 10 min und Lotschichten kleiner 20 µm erforderlich. Ein neuer Ansatz besteht darin, dass sich zusätzlich zu den Grenzflächen der Fügepartner intermetallische Phasen auch innerhalb der Lotschicht bilden können, um somit die Prozessparameter, wie Temperatur und Haltezeit wesentlich zu senken. Dies wird durch ein „Pastensystem“ erzeugt, bei dem sich neben dem Lotpulver auch höherschmelzendes Metallpulver in der Paste befindet. In der vorliegenden Arbeit konnte durch eine gezielte Pasten- und Prozessentwicklung zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine durchgängige, porenfreie intermetallische Verbindungsschicht zwischen einen Halbleiterbauelement und einem Substrat bei üblichen Verarbeitungstemperaturen von ca. 250 °C und bei Haltezeiten von etwa 1 min erzeugt werden kann. Die Schichtdicke der Verbindung kann dabei individuell eingestellt werden. Der Vorgang wird als Transient Liquid Phase Soldering (kurz: TLPS) bezeichnet. Durch die Auswahl eines geeigneten Lösungs- und Bindemittelsystems in Kombination einer mit Kupferpulver versetzten Sn-basierten Lotpaste, konnte die ursprünglich nach der Entfernung der Oxide stattfindende Reaktion des flüssigen Zinns mit dem Kupferpulver und den Bauteilgrenzflächen verhindert werden, wobei auf die Verwendung von Flussmitteln verzichtet wurde. Dies ist erforderlich, um eine Annäherung der Verbindungsbereiche zu erzielen und somit eine starke Porenbildung infolge der Flussmittelreaktion (Gasbildung) sowie der parallel ablaufenden intermetallischen Phasenbildung des flüssigen Zinns mit dem Kupferpulver zu vermeiden. Um ein Absinken des Bauteils zu realisieren, wird ein geringer Prozessdruck während des ersten Aufschmelzvorgangs verwendet, wodurch das flüssige Zinn aus der Fügezone herausgedrückt wird. Ein nachträglicher Aktivierungsschritt entfernt die vorhandenen Oxidschichten. Durch einen anschließenden zweiten Umschmelzprozess infiltriert das zuvor herausgedrückte Lot die Hohlräume im Fügespalt, reagiert dort mit dem höherschmelzenden Kupferpulver und die erwünschte intermetallische Phasenbildung findet statt. Dieser Vorgang wird in der vorliegenden Arbeit als „2-Stufen Prozess“ bezeichnet. Ein alternativer druckloser Prozess zum zuvor beschriebenen „2-Stufen-Prozess“ wurde dadurch realisiert, dass anstatt einer Lot/Kupfer-Pulverpaste reines Kupferpulver gedruckt, das zu fügendes Bauteil direkt auf die Kupferpaste positioniert und das Lot seitlich neben dem Kupferdepot angeboten wurde. Damit befindet sich das zu fügende Bauteil sowie das Kupferpulver bereits nach dem Pastendruck und Bestückprozess auf der finalen Position. Eine Druckbeaufschlagung wie beim „2-Stufen-Prozess“ zur Absenkung des Chips und des Kupferpulvers ist hier somit nicht erforderlich. Ein Aktivierungsvorgang mit reduzierendem Gas entfernt wie beim „2-Sufen-Prozess“ die vorhandenen Oxide und durch einen nachgeschalteten Umschmelzvorgang infiltriert das flüssige Lot die Kupferpulverschicht. Anschließend kommt es zur Benetzung des flüssigen Lots mit dem Kupferpulver und zur intermetallischen Phasenbildung. Das Verständnis und die Vorgänge bei der Phasenumwandlung im System Cu-Sn stellen dabei die fundamentale Grundlage dar, um den Verbindungsprozess in seiner Gesamtheit beschreiben sowie Einflussfaktoren im Prozess auf eine TLPS-Fügeschicht identifizieren zu können. Die in dieser Arbeit erstmalig durchgeführte und beschriebene Pasten- sowie Prozessentwicklung ermöglicht es, porenfreie und hochtemperaturstabile intermetallische Verbindungsschichten mittels Pastenprozessen herzustellen, welche auf lötbaren Oberflächen und mit herkömmlichen Lötequipment verarbeitbar sind.
In many electronic applications there is the requirement to increase the operating temperature of the electronic modules, such as in power electronics in order to save expensive cooling systems. This requires components, substrate materials and bonding techniques which are reliable at these elevated operating temperatures. Soldering currently is the most widely used interconnection technology for power electronic modules. Typically Sn-based soft solders are used which fail too fast as a result of thermomechanical stress at temperatures above 150 °C regardless of the exact chemical compostion of the solder alloy Soldering using goldrich solder alloys, silver sintering or thermocompression bonding using pure gold interconnects are possible technologies for operating temperatures above 150 °C. However, they have limited applicability due to their material costs and processes. A further alternative in order to produce a high temperature stable interconnection´s is a complete transformation of the solder joint into intermetallic phases. This approach shall be investigated in the present work. To produce a continuous intermetallic interconnection between two joining partners two approaches are in principal possible. The already known and used methods are based on thin film technologies. The intermetallic phases start to grow from the interface of the joining partners. The solder which is located between the two joining partners melts during the joining process and reacts with the high melting metal interface of the component and substrate to form intermetallic phases. In order to create a completely transformed intermetallic interconnection process temperatures above 300 °C, holding times of more than 10 minutes and solder layer thicknesses of less than 10 µm are necessary. A new approach is that in addition to the interface of the joining partners intermetallic phases can also form within the solder layer in order to significantly decrease the process parameters like temperature and holding time. This becomes possible by using a “paste system” which consists of a high melting metal powder and a solder powder in the paste. In this work the development of a paste and a joining process was done and it was shown for the first time that a continuous and almost void-less intermetallic interconnection can be produced between a semiconductor and a substrate using conventional process temperatures of about 250 °C and holding times of approximately 1 minute. The thickness of the interconnection can be adjusted individually. The process is called Transient Liquid Phase Soldering (short: TLPS). The reaction of the molten tin with the copper powder and the interfaces of the components which take place after reducing the oxides could be prevented by selecting a suitable solvent and binder system. An important fact is that the paste must not have the function of a flux for the Sn-based solder spheres and the copper powder. This was necessary to reach a smaller distance of the interconnection areas and to avoid a strong void formation as a result of the flux reaction (formation of gas) as well as the parallel running intermetallic phase formation of the molten tin with the copper power. A small mechanical pressure during the first reflow is needed to realize a collapse of the component on the substrate which simultaneously squeezes the molten tin out of the solder line. An additional activation step reduces the existing oxides. Due to a subsequent reflow step the solder which was squeezed out before infiltrates the cavities in the joint gap, reacts with the high melting copper powder and the required intermetallic phase formation takes place. This procedure is called “2-step process” in the present work. An alternative pressure-less process compared to the above-described “2-step process” was realized by printing pure copper powder instead of a mixed solder/copper-powder paste. The component which should be attached, was placed on top of the copper paste and the solder was placed at the side next to the copper depot. Thereby the component and the copper powder are on the final position after the printing and pick & place process. A pressure step as during the “2-step process” is not necessary in order to bring the chip and copper powder in a lower position (z-direction). An activation step using reducing gas as in the “2-step process” removes the present oxides and the molten solder infiltrates the copper powder layer during a following reflow step. Afterwards the molten solder wets the copper powder and forms the intermetallic phases. The understanding of the processes during the phase transformation in the Cu-Sn system is the fundamental basis to describe the interconnection process completely and to identify the process influences of a TLPS-interconnection. The results of this dissertation including the description of the paste and the process enable the production of, an almost void-free and high temperature stable intermetallic interconnection using state of the art surface finishes and equipment.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6115
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5690
Exam Date: 9-Nov-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 19-Jan-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Verbindungstechnik
Leistungshalbleiter
Hochtemperaturanwendungen
intermetallische Phasen
Cu-Sn
Cu6Sn5
temporäres Flüssigphasenlöten
joining technology
power semiconducter
high temperature applications
intermetallic compound
transient liquid phase soldering
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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