SB_20120BRLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Induktives Sintern von
gedruckten mikro- und
nanoskalierten
Zwischenschichten zum
Fügen mikroelektronischer
Komponenten

Induktives Sintern von
gedruckten mikro- und
nanoskalierten
Zwischenschichten zumFügen
mikroelektronischer
Komponenten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.120 BR
DVS-Nr.: 10.099
Technische Universität Chemnitz,
Zentrum für Mikrotechnologien ZfM
Professur Smart Systems Integration
Technische Universität Chemnitz,
Institut für Werkzeugmaschinen und
Produktionsprozesse Professur für
Umformendes Formgeben und Fügen
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.120 BR / DVS-Nr.: 10.099 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 503
Bestell-Nr.: 170503
ISBN: 978-3-96870-503-3
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Schlussbericht
zu IGF-Vorhaben Nr. 20120 BR
Thema
Induktives Sintern von gedruckten mikro- und nanoskalierten Zwischenschichten zum Fügen
mikroelektronischer Komponenten
Berichtszeitraum
01.06.2018 - 31.05.2021
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Forschungsstelle 1 (IGF-Nr.: 20120 BR / 1)
Technische Universität Chemnitz
Zentrum für Mikrotechnologien (ZfM)
Professur Smart Systems Integration
Forschungsstelle 2 (IGF-Nr.: 20120 BR / 2)
Technische Universität Chemnitz
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP)
Professur für Umformendes Formgeben und Fügen (UFF)

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20120 BR
Inhaltsverzeichnis
1. Theoretische Betrachtungen ................................................................................................. 3
1.1. Auswahl von Fügepartnern ............................................................................................ 3
1.2. Lastenheft für induktive Erwärmungsanlage .................................................................. 3
2. FE-Simulation ........................................................................................................................ 5
2.1. Erstellung des Simulationsmodells: Einzelkomponenten, Vernetzung,
Zusammenführung .................................................................................................................... 5
2.2. Simulation der Erwärmung: Durchführung und Weiterentwicklung ................................ 6
2.3. Simulation der Erwärmung: Untersuchung des Einflusses feldführender Elemente .... 13
2.4. Simulation des Sinterprozesses und des Gesamtaufbaus .......................................... 21
3. Versuchsstand ..................................................................................................................... 26
4. Erwärmung der Silberpartikelpasten ................................................................................... 28
4.1. Entwicklung einer Vorrichtung zur Auslagerung von Silbersinterpasten ...................... 28
4.2. Ermittlung physikalischer Eigenschaften ..................................................................... 29
4.3. Drucklose Erwärmungsversuche ................................................................................. 31
5. Bauteilschutz ....................................................................................................................... 32
5.1. Evaluierung der Bauteilschädigung ............................................................................. 32
5.2. Bauteilschutzkonzept ................................................................................................... 33
6. Sintern ................................................................................................................................. 37
6.1. Sinterversuche ............................................................................................................. 37
6.2. Abgleich mit Simulationsmodell ................................................................................... 40
7. Charakterisierung ................................................................................................................ 42
7.1. Metallographische Analyse der induktiv gebondeten Proben ...................................... 42
7.2. Funktionstest der induktiv gebondeten mikroelektronischen Komponenten ................ 51
8. Technologietransfer ............................................................................................................. 53
9. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen des
Projektes ............................................................................................................................. 55
10. Verwendung der Zuwendung .............................................................................................. 58
11. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................................ 58
12. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ....................................................................... 59
13. Förderhinweis ...................................................................................................................... 61

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20120 BR
1. Theoretische Betrachtungen
Es wurde eine umfangreiche Literaturrecherche zum Stand der Technik bzgl. des Die-Attachs,
zum Partikelsintern, Drucktechnologien für Sinter- und Lotpasten, Induktionserwärmung von
Nanopartikeln sowie zu Leiterplatten und PCBs durchgeführt. Als Resultat wurden 96
Literaturelemente in Mendeley zusammengestellt und in einem gemeinsamen Datenaustausch
bereitgestellt.
1.1. Auswahl von Fügepartnern
Die Auswahl von Fügepartnern erfolgte in Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss
(PA). Als Fügepartner für den induktiven Die-Attach wurden Dioden als Chips und DCBs als
Substrate von dem PA-Mitglied Danfoss Silicon Power verwendet (Abbildung 1). Die Dioden
besitzen eine Rastergröße von A Diode = 9,0 x 9,0 mm² und eine Gesamtdicke von d Diode = 120 µm.
Die Padmetallisierung besteht aus einem Al/Si/Cu-Schichtsystem, die Rückseiten- bzw.
Fügeflächenmetallisierung aus einem Ni/Ag-Schichtsystem. Kern der DCB-Substrate ist eine
d Al2O3 = 400 µm dicke Al 2 O 3 -Keramik, die eine ca. d Cu = 300 µm dicke Cu-Metallisierung auf
Vorder- und Rückseite aufweist.
Abbildung 1: REM-Aufnahmen der Querschliffe von Dioden (links) und DCB-Substraten (rechts)
des PA-Mitglieds Danfoss.
Als Fügezusatzwerkstoff wurde eine silberbasierte Partikelpaste verwendet, welche von dem PA-
Mitglied Heraeus zur Verfügung gestellt wurden. Die Paste mit der Bezeichnung ASP 043-04 ist
laut Hersteller geeignet für das IGBT Die-Attach Bonden in der Leistungselektronik. Sie besitzt
einen Silbergehalt von V Ag = 85 Gew.-% und eine maximale Silberpartikelgröße von d Ag ≤ 20 µm.
Sie ist kompatibel mit Silber- und Goldoberflächen, eine Kompatibilität mit Kupferoberflächen wird
zudem vom Hersteller erwartet. Bzgl. der Anwendung wird der Schablonendruck der Paste mit
nachgelagertem Vortrocknen bei T tr ≤ 110 °C sowie anschließendem Sintern bei T sinter ≥ 230 °C
und einem Fügedruck von p ≥ 10 MPa für t ≥ 2 min empfohlen.
1.2. Lastenheft für induktive Erwärmungsanlage
Mit der Erstellung des Lastenheftes wurden die Anforderungen hinsichtlich des Versuchsstands,
einschließlich der Randbedingungen für die Komponenten Säulenführungsgestell (Tabelle 1),
mechanischer Antrieb (Tabelle 2), Induktionsspule (Tabelle 3) und Hochfrequenzgenerator
(Tabelle 4) aus Anwendersicht definiert. Daraus abgeleitet wurden die Festlegungen und
Rahmenbedingungen für den induktiven Heiz- und Fügeprozess sowie die Eigenschaften der
metallischen Fügezone.

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20120 BR
Tabelle 1: Anforderungen an das Säulenführungsgestell laut Lastenheft.
Säulenführungsgestell
Anforderung
Validierung
Das Säulenführungsgestell soll den Anpressdruck auf die Bauteile übertragen und
ermöglicht die Positionierung und Fixierung der Bauteile auf der Arbeitsfläche. Hierbei
liegt die anlagentechnische Herausforderung in der steuerungs- und regelungstechnischen
Verknüpfung von Linearbewegung des Maschinentisches und Kraftmessung
an der Probe.
Kennwerte:
Material:
Aluminium
Säulenlänge:
80 mm
Arbeitsbereich:
250 mm x 250 mm
Anzahl Säulenführungen: 2
Spezifische Auswahl des Säulenführungsgestell, Normalienhersteller
Tabelle 2: Anforderungen an den Druckzylinder laut Lastenheft.
Mechanischer Antrieb
Anforderung
Validierung
Der mechanische Antrieb soll eine Kraft erzeugen. Diese soll als homogener Druck,
ruckfrei in die Fügepartner eingeleitet werden. Das System muss in das Säulenführungsgestell
integriert werden können.
Kennwerte:
Wirkprinzip: servoelektrische Krafterzeugung
Maximalkraft: 3000 N, homogen über die Chipfläche
Spezifische Auswahl des Druckzylinders, professioneller Anbieter, Druckmessfolien
zur Ermittlung der Maximalkraft und der Druckverteilung
Tabelle 3: Anforderungen an den Induktionsspule laut Lastenheft.
Induktionsspule
Anforderung
Validierung
Die Induktionsspule muss an die zu erwärmenden Bauteile angepasst und möglichst
genau gefertigt werden Ziel: hohe Effizienz und Homogenität
Kennwerte:
Induktionsspule:
Kupfer (Cu-HCP, Cu-ETP)
Magnetfeldkonzentrator: Ferrotron ® 559 mit Kavität für die Spule
Rohrprofil:
Vierkant (2 mm x 2 mm x 0,2 mm)
Induktorgeometrie: einwindige geschlossene Spule
Simulation der Induktionsspule; induktive Erwärmungsversuche
Tabelle 4: Anforderungen an den Hochfrequenzgenerator laut Lastenheft.
Hochfrequenz (HF)-Generator
Anforderung
Validierung
Der HF-Generator wird entsprechend der notwendigen Leistungsparameter sowie der
Kompatibilität zu der Induktionsspule (L-Bereich Spule => C-Bereich Generator)
ausgewählt.
Kennwerte:
Ausgangsleistung: 5 kW bis 25 kW
Ausgangsfrequenz: 1000 kHz bis 2000 kHz
Ausgangsstrom: 50 A bis 2000 A
Berechnung der Leistungsparameter; induktive Erwärmungs- und Fügeversuche

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20120 BR
2. FE-Simulation
Das FE-Simulationsmodell soll den Erwärmungs- bzw. Fügeprozess beim induktiven Die-Attach
möglichst realitätsnah und detailgetreu abbilden. Damit soll, unter Nutzung der Materialkennwerte
und der Stromparameter, das Erwärmungsverhalten der einzelnen Komponenten (insbesondere
der Sinterschicht) berechnet, potentielle Fehlstellen und Bauteilschädigung prognostiziert sowie
im Folgenden verhindert werden. Ferner ist die Entwicklung einer an die Fügeaufgabe
angepassten Induktorengeometrie essenzieller Bestandteil der Simulationen. Somit sollte
erreicht werden, dass die induktiv erzeugte Wärme primär im Bereich der Fügestelle sowie
innerhalb des Fügezusatzwerkstoffes erzeugt wird und umliegende Bereiche vergleichsweise
kühl verbleiben, sodass die thermische Belastung dieser Gebiete relativ gering ist.
2.1. Erstellung des Simulationsmodells: Einzelkomponenten,
Vernetzung, Zusammenführung
Die einzelnen Komponenten des Fügeaufbaus (DCB, Diode, µAg-Schicht) wurden aus dem CAD-
Modell übernommen, angepasst und zueinander positioniert. Die Abmessungen von Diode und
DCB entsprachen dabei denen der vom PA für die Fügeversuche zur Verfügung gestellten
Komponenten, siehe Abschnitt 1.1. Die Silberschicht wurde zu Beginn der Simulationen als
einfacher dünner Quader (d Ag = 2000 µm) mit den Eigenschaften von Reinsilber angenommen.
Im späteren Verlauf des Projektes wurden die Eigenschaften stärker denen einer
silberpartikelhaltigen Paste mit temperaturtransienten Eigenschaften angenähert (Abschnitt 2.2).
Das so erzeugte CAD-Modell wurde in das Programm COMSOL Multiphysics importiert. Ergänzt
wurden ferner eine Luftbox, die aus simulationstechnischen Gründen notwendig ist, sowie die
Induktorengeometrie. Den einzelnen Bestandteilen des Simulationsmodelles wurden jeweils
materialspezifische Kennwerte aus der Literatur bzw. aus der COMSOL-eigenen
Materialdatenbank zugeordnet. Der Induktor wurde zunächst als stark vereinfachter Ringinduktor
angenommen (Abbildung 2). Im Laufe des Projektes wurde dabei die Geometrie des Induktors
mit jedem Iterationsschritt geändert bzw. optimiert. Je nach Strukturgröße der einzelnen
Komponenten erfolgte danach die Vernetzung zur Erzeugung der finiten Elemente. Ziel des
anfänglichen stark vereinfachten Modelles war es, dessen prinzipielle Funktionsfähigkeit sowie
das weitere prinzipielle Vorgehen für die weiteren Iterationsschritte der Simulation zu erproben.
Abbildung 2: Anfängliches Simulationsmodell für den Fügeaufbau Diode auf DCB-Substrat als
Grundlage für die weiteren Simulationen im Projekt.