TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES' Hybrid-Sinterverfahren bewertet die Zuverlässigkeit von SiC/GaN-Leistungsmodulen neu
Quelle: Halbleiter-Digest
Datum: 12. Dezember 2025
Link: https://www.semiconductor-digest.com/tanakas-hybrid-silver-adhesive-paste-redefines-reliability-for-sic-gan-power-modules/
Shintaro Abe, Global R&D Senior Manager für Silberkleber bei TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES Co., Ltd., erklärt den Durchbruch in den Materialien, der eine hochtemperaturbeständige, drucklose Die-Befestigung ermöglicht.
Da Wide Bandgap (WBG) Halbleiter in der Leistungselektronik zum Mainstream geworden sind, ist die Zuverlässigkeit der Verpackung zu einer der größten Herausforderungen geworden. Die Die-Befestigungsschicht ist extremen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen bei Temperaturen von über 200 °C für SiC MOSFETs und GaN HEMTs ausgesetzt. Dies geschieht unter harten Bedingungen, die die Grenzen herkömmlicher Materialien wie Lötmittel und epoxidharzbasierte Klebstoffe überschreiten.
TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES Co., Ltd. hat Hybrid-Sintertechnologie entwickelt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, starke Bindung bei über 200 °C, druckfreie Behandlung und langfristige Ermüdungsbeständigkeit erreicht. Laut Shintaro Abe, Senior Manager der F&E-Abteilung bei TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES, wurde diese innovative Bonding-Technologie etabliert, indem gleichzeitig zwei Herausforderungen angegangen wurden: die Erreichung von Silbersinter innerhalb von Harz und die Kontrolle der Harzverteilung innerhalb des Sinternetzwerks.
Laut Abe bestand der erste große Fortschritt in der Fähigkeit, Silberpartikel in einer Harzumgebung zu sintern. Normalerweise wird das Sintern in einer solchen Umgebung gehemmt. „Das Sintern von Silber in Harz ist üblicherweise schwierig, da Harz den Sinterprozess hemmt. Wir haben diese Herausforderung gemeistert, indem wir unsere einzigartige Designtechnologie eingesetzt haben, um die Grenzflächenwechselwirkung zwischen Silber und Harz zu optimieren und gleichzeitig die Sinterfähigkeit des Silbers zu erhalten“, so Abe.
Der zweite Sprung bezog sich auf Ingenieurwesen und Mikrostrukturen. Abe erklärte: „Indem wir das Harz ungleichmäßig innerhalb der gesinterten Silberstruktur verteilen, haben wir es möglich gemacht, sowohl thermische Leitfähigkeit als auch mechanische Flexibilität zu erreichen. Anstatt das Harz gleichmäßig zu verteilen, haben wir es selektiv als Matrix innerhalb des Silber-Sinternetzwerks positioniert.“
Durch die gezielte Anwendung von Harz nur dort, wo es nötig ist, hat TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES einen Verbundwerkstoff entwickelt, der den Elastizitätsmodul deutlich reduziert und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit beibehält. „Diese beiden Innovationen ermöglichen es uns, eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, gleichzeitig die mechanische Flexibilität zu erhöhen und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Herkömmliche Klebstoffe auf Harzbasis verlieren bei Temperaturen über 200 °C deutlich an Haftfestigkeit, weshalb Kleben und Sintern kombiniert werden mussten“, erklärt Abe.
Die Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen ist für WBG-Leistungsmodule von größter Bedeutung. Silberklebstoffe auf Basis herkömmlicher Harze weisen bei hohen Temperaturen eine instabile Haftung auf. Herr Abe erläutert den zugrundeliegenden Mechanismus wie folgt: „Bei Temperaturen über 200 °C verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit von Klebstoffsystemen, die auf Wasserstoffbrückenbindungen beruhen, und die Scherfestigkeit nimmt deutlich ab.“
Um dieses Problem anzugehen, hat TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES eine Silber-Sintertechnologie entwickelt, die die chemischen Eigenschaften der Silberbindung kombiniert. „Wir haben Sinter- und Bindetechnologien kombiniert. Dies erhält eine hohe Bindungsstärke selbst in Umgebungen über 200 °C und verteilt effektiv den Stress während Temperaturzyklen, der durch Unterschiede in der linearen Ausdehnung des Bindematerials verursacht wird.“
Die aus diesem Ergebnis gewonnene Substanz bildet eine stabile Struktur, die thermomechanische Ermüdung verringert, insbesondere bei Kupfer- und keramischen Leistungsträgern.
Verwaltung von Leerständen
Hohlräume, insbesondere in Hochleistungsmodulen, können die elektrische Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Herr Abe erläuterte die Strategie des Unternehmens wie folgt: „Zunächst füllen wir die Silberfüllstoffe mit hoher Dichte. Durch die Kombination von Silberpartikeln unterschiedlicher Größe und Form erzeugen wir eine Struktur mit hoher Dichte. Nach dem Sintern schmilzt das Harz und füllt die kleinsten Hohlräume, wodurch eine Struktur mit noch höherer Dichte und Stabilität entsteht.“ Dies verhindert effektiv das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit. „Durch die Minimierung von Hohlräumen können wir das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit verhindern, das langfristig zu Schäden führen kann“, so Herr Abe.
Sintern ohne Druck
Ein wesentlicher Vorteil ist die hohe Kompatibilität mit bestehenden Werkzeugmontageverfahren. Herr Abe erklärt: „Drucksintern erfordert spezielle Anlagen, unser Hybridsinterverfahren hingegen kann ohne Druckbeaufschlagung mit den Heizsystemen vorhandener Chargenöfen durchgeführt werden. Dadurch können unsere Kunden neue Materialien problemlos einführen, ohne ihre Produktionslinien wesentlich umbauen zu müssen.“
Der gleiche Klebstoff kann in einem Presssystem verwendet werden.
Abbildung 1 zeigt die Produktreihe der Silber-Drahtbonding-Produkte von TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES, mit einer neuen hybriden Sintertechnologie in der Mitte. Abbildung 2 vergleicht die hybride Sintertechnologie mit anderen Produkten.
Substratkompatibilität
Blankes Kupfer zählt zu den am schwierigsten zu verbindenden Materialien, da die Bildung einer dünnen Oxidschicht die Metallverbindung behindert. Abe erklärt: „Da blankes Kupfer das am schwierigsten zu verbindende Material ist, konzentrieren wir uns darauf. Unser Verfahren ist sehr gut mit blankem Kupfer kompatibel.“
Abbildung 3 zeigt das empfohlene Härtungsprofil, das für reines Kupfer optimiert ist. Dieses Profil ist auch für Silber und Gold geeignet. Für Silber und Gold kann eine zuverlässige Verbindung sogar bei niedrigen Temperaturen von etwa 200°C erreicht werden.
Glücklicherweise verfügt TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES bereits über die notwendige Infrastruktur in seinen Fabriken. "Unsere Produktionsstätten haben umfangreiche Erfahrung in der Herstellung verschiedener Arten von Pastenmaterialien. Dies hat es uns ermöglicht, reibungslos von der Prototypenentwicklung zur Massenproduktion überzugehen, ohne signifikante Investitionen tätigen zu müssen."
Neben seiner technischen Leistung hat TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES eine zirkuläre Lieferkette etabliert. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Rückgewinnung und Verfeinerung von Edelmetallen aus industriellem Schrott, um seine Umweltauswirkungen zu reduzieren, und hat einen umweltbewussten Ansatz entwickelt, um die nachhaltige und effiziente Nutzung von Edelmetallen sicherzustellen. Zirkuläre Beschaffung ist strategisch wichtig, nicht nur wegen ihrer Umweltvorteile, sondern auch um die stabile Versorgung mit Edelmetallen zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für Materialien mit begrenzter Produktion und starkem Beschaffungsbedarf, wo Recycling die Versorgungsstabilität erhöht und gleichzeitig zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxidemissionen und zur Schaffung nachhaltigerer Produktionssysteme beiträgt. Ein zentrales Merkmal dieses Ansatzes ist, dass die Produkte aus Materialien hergestellt werden, die aus recycelten Edelmetallen verfeinert wurden, wobei die fortschrittlichen Recycling- und Edelmetallanalysentechnologien genutzt werden, die die TANAKA PRECIOUS METAL GROUP über viele Jahre entwickelt hat. Darüber hinaus kann das Unternehmen auch Produkte und Lösungen anbieten, die 100 % recycelte Edelmetalle gemäß den Kundenbedürfnissen verwenden. "Eine zirkuläre Wirtschaft und eine nachhaltige Materialversorgung sind für unsere Kunden von extrem großer Bedeutung. Unsere Recyclingsysteme und Beschaffungsfähigkeiten sind bedeutende Wettbewerbsvorteile," sagt Abe. Beachten Sie, dass Hybrid Paste kein Blei oder PFAS enthält.
Darüber hinaus bietet TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES einen umfassenden Service für Edelmetallmaterialien, von der Beschaffung von Barren über die Verarbeitung, Herstellung, den Verkauf bis hin zum Recycling.
Zukünftige Ausrichtung
Da sich die Gehäusetechnologie hin zu dünnen Chips und fortschrittlichen Mehrschichtstrukturen weiterentwickelt, arbeitet TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES an Klebstoffen der nächsten Generation. Herr Abe erläutert die Roadmap wie folgt: „Einige Kunden streben Chipdicken von unter 50 Mikrometern an. Pastenmaterialien neigen dazu, während des Klebeprozesses auf der Chipoberfläche zu verlaufen, und dieses Phänomen tritt bei immer dünneren Chips besonders deutlich hervor. Die Bewältigung dieser Herausforderung ist ein wichtiges Thema für die Gehäusetechnologie der nächsten Generation.“
Die Kostenreduzierung sowohl bei Materialien als auch bei Fertigungsprozessen ist ebenfalls ein zentrales Thema. „Die Nachfrage der nächsten Generation wird voraussichtlich äußerst komplex sein, daher ist es notwendig, technologische Trends genau zu beobachten und die Kosten sowohl bei Materialien als auch bei Prozessen zu senken.“
Um diese Probleme anzugehen, entwickelt TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES Verbindungstechnologien, die für Dünnfilm-Chips geeignet sind. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen daran, die Kosten zu senken, indem die Menge der verwendeten Edelmetalle reduziert wird, während die thermischen und mechanischen Eigenschaften beibehalten werden. "Wir arbeiten mit unseren Kunden und Forschungseinrichtungen in Europa an Verpackungen der nächsten Generation."
HYBRID SINTERING von TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES ist mehr als nur ein neues Bindemittel. Es markiert einen Paradigmenwechsel in der Branche hinsichtlich des seit Langem bestehenden Zielkonflikts zwischen thermischer Leistung und mechanischer Belastbarkeit. Durch die Ermöglichung des Sinterns in Harzstrukturen, die Optimierung der Partikelfüllung und das drucklose Sintern erfüllt dieses Material direkt die Anforderungen von SiC/GaN-Leistungsmodulen, die in den Massenmarkt eintreten.
„Unser hybrider Sinterkleber erfüllt die Anforderungen der nächsten Generation von Leistungselektronik ausreichend, wo langfristige Zuverlässigkeit und thermische Effizienz entscheidend sind. Mit dem Fachwissen über Materialien, das wir über mehrere Jahrzehnte entwickelt haben, werden wir weiterhin zu Innovationen in der Halbleitertechnik beitragen“, schloss Abe.
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