Hybride Sinterschlacke für die Chip-Bonding (Elektronikindustrie 12/2024)
„Elektronikindustrie 12/2024“
Leistungselektronik mit SiC oder GaN stellt extreme Anforderungen an die Verbindung zwischen Halbleiter und Substrat. Hybride Sinterpasten mit hoher Wärmeleitfähigkeit und verbesserten mechanischen Eigenschaften ermöglichen anspruchsvolle Anwendungen, beispielsweise in der Elektromobilität und der mobilen Kommunikation.
Durch die Verwendung von Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) werden Wafer immer dünner, was zu höheren Leistungsdichten führt. Hersteller von Halbleitern für Elektromobilität, Mobilfunkbasisstationen und viele andere Anwendungen mit Hochleistungsschaltungen erweitern die Grenzen des Machbaren.
Der Engpass hier ist die Paste, die den Kontakt zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat beim Verkleben sicherstellt. Das Substrat kann eine Leiterplatte oder Keramik sein, ist in der Leistungselektronik jedoch normalerweise eine Metallplatte. Die Paste sorgt für eine mechanisch sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Komponenten und gewährleistet gleichzeitig die Abfuhr von Wärme vom Chip nach außen.
Das Bonding erfolgt mit einer Vielzahl von Methoden unter Verwendung unterschiedlicher Pasten. Die Paste wird auf ein Substrat aufgetragen oder gedruckt, und der Halbleiterchip wird darauf platziert. Dieses Sandwich wird erhitzt, wobei je nach Paste verschiedene chemische und physikalische Prozesse ablaufen. Elektrische Kontakte werden dann durch Drahtbonding hergestellt, und der Chip wird in einem Gehäuse verkapselt.
Chip-Bonding-Methoden
Es gibt zwei konventionelle Methoden für das Chip-Bonden: Klebeverbindung und Sinterung.
Haftung
Im Fall von Pasten auf Basis von Epoxidharz oder anderen synthetischen Harzen wird die Verbindung durch das Kleberharz erreicht. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist jedoch gering, nur wenige W/m･K. Durch die Zugabe von Metallpartikeln wie Silber zur Paste kann die Wärmeleitfähigkeit auf 50 W/m･K erhöht werden. Es ist jedoch sehr schwierig, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als dies zu erreichen. Wärme wird durch die Kontaktflächen der Silberpartikel übertragen, aber die Kontaktflächen sind nicht fest metallisch verbunden. Die Haftung ist heute eine sehr gängige Methode und eignet sich für Logikchips, die nicht viel Wärme erzeugen.
Sinterung
Die Paste enthält Metallpulver und organische Komponenten, wie Lösungsmittel, die während der Sinterung entfernt werden. Die Paste wird auf 200 °C bis 250 °C erhitzt, was dazu führt, dass die Silberpartikel metallisch miteinander und mit dem Substrat sowie dem Chip verbunden werden. Während der Sinterung verdampft das Lösungsmittel, wodurch Poren im Silber entstehen. Die Wärmeleitfähigkeit ist sehr hoch und übersteigt 200 W/m·K. Dieses Verfahren ist für Anwendungen in der Leistungselektronik geeignet, beispielsweise mit Halbleitermaterialien wie SiC und GaN, die in Hochspannungswechselrichtern in Elektrofahrzeugen und Mobilfunk-Basisstationen verwendet werden.
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