Chipmontage mit Drucksintertechnik

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Chipmontage mit Drucksintertechnik für
Hochtemperaturanwendungen
Erwin Peiner
Institut für Halbleitertechnik, TU Braunschweig,
Opening Ceremony Elsold GmbH & Co KG, Ilsenburg, 27 Jun 2013
Inhalt
• Chipmontage mit Drucksintertechnik
•
•
Niedertemperatur-Verbindungstechnik (NTV)
Industrielle Anwendungen
• Platziertes Drucksintern
• Sinterpaste
•
•
Nanopartikel
Porosität, thermische Leitfähigkeit, Scherfestigkeit, Diamantfüllstoff,
Kupferpaste
• Untertageelektronik
•
Druck- / Vibrationssensoren, Spülpulstreiber-Modul, Peltier-Kühler
27. Juni 2013 | Erwin Peiner | Chipmontage mit Drucksintertechnik … | Folie 2
Inhalt
•
•
• Sinterpaste
•
•
Nanopartikel
Kupferpaste
•
Chipmontage mit Drucksintertechnik
 Multichip-Module in der Leistungselektronik:
• großflächige Chips auf Substraten
• heute: Verbindung mit bleifreien oder hoch bleihaltigen Loten bei 260°C bis
> 300°C
• Betriebstemperaturen von 175°C oder darüber -> Ermüdungsausfälle bei
Wechselbelastung
 1989 (Schwarzbauer & Kuhnert): Niedertemperatur-Verbindungstechnik (NTV)
• beruht auf Sintern von Silberpulver
• keine flüssige Phase
• niedrige Prozesstemperatur
• keine Legierung
• sehr geringe homologe Temperatur (Tb << Tm)
Chip
Substrate
Paste mit AgMikropartikeln
stoffschlüssige Verbindung
durch gesinterte Ag-Schicht
Poren
T = 250 °C
p = 40 N/mm2
t = 1 min
5 µm
5 µm
Kennwerte der NTV
Verbindungsschicht
max. Betriebstemperatur Tb (°C)
thermische
Leitfähigkeit (W/mK)
elektrische
Leitfähigkeit (MS/m)
Wärmeausdehnungskoeffizient (10-6 K-1)
Elastizitätsmodul
(kN/mm2)
Scherfesigkeit
(N/mm2)
Ag-gefüllter bleifreies
hoch
Ag-CuAg –
Lot
Polymerbleihaltiges Lot Hartlot
SinterKlebstoff
Sn96,5Ag3,5 Pb92,5Sn5Ag2,5 IncusilTM schicht**
PC3231
ABA*
200
220
296
715
> 380
5
60
25
70
250
0.3
8
5
9.4
40
-
25
29
18.2
20
-
30
23.5
76
40 - 55
10 - 20
27
28
-
30
* Hartlot Ag59,0Cu27,25In12,50Ti1,25; empfohlene Lotumgebung: Vakuum oder Inertgas
** Standard -NTV: Ag-Mikropaste, Porosität = 15 %, Schichtdicke = 25 µm
NTV-Pressen im IHT
automatisierte Presse
für Kleinserienfertigung
Handpresse für
mikrostrukturierte Chips
∼ 50 Tonnen
Presse für
großflächige
Verbindungen
Präzisionspresse für
kleine Bauteile
NTV bei Volkswagen
 Module für elektrischen Antriebsstrang von Hydrid-, Brennstoffzellenautos, …
• wachsende Leistungsdichte / größerer Bauelement-Temperaturbereich
• bei hoher mechanischer Belastung
• ohne Lebensdauereinbußen
 NTV für
• Silberbandanschlüsse
• Dioden- und IGBTChipmontage
Schulze et al., CIPS 2010, Nürnberg
NTV bei Semikron
Semikron, Nürnberg
(Leistungselektronik, z.B. für
Wechselrichter in
Windkraftanlagen):
 keine Bonddrähte
-> flexibler
Verdrahtungsträger
 keine Wärmeleitpaste,
Grundplatte und
Lotverbindung
-> geringerer therm.
Kontaktwiderstand (-30
%)
www.semikron.com/skcompub/de/Aufgedeckt_SKiN.pdf
-> verbesserte Lastwechselfestigkeit (10 ×)
NTV bei BMW
 Thermoelektrischer Generator (TEG) für die Gewinnung von Abfallwärme
• betrieben zwischen 200 °C und 500 °C
• hohe Temp.-Lastwechselfestigkeit
 NTV für TE-Schenkel-Verbindung
 geringe homologe Temperatur < 0,66
Sinterschicht
TEG
Abgas
Kühlwasser
Brück et al., 2012, PCT-Anmeldung, WO 2012/107281 A1
TEG
Inhalt
•
•
• Sinterpaste
•
•
Nanopartikel
Kupferpaste
•
Platziertes Drucksintern
 Standard-NTV:
• große Presse (∼ 50 Tonnnen) notwendig
• unhandliche Prozessierung, Fehjustierung kann zu Beschädigung des Chips
(Silizium) und des Substrats (Keramik) führen
 Platziertes Drucksintern
• Presse wird durch Flip-Chip-Bonder ersetzt:
 kann mit Chipklebemontage in der Hybridtechnik kombiniert werden
• Pulver wird durch Paste ersetzt:
 Eins-zu-eins-Austausch von Lot- / Epoxidharzpaste
 kann mit gängiger SMT prozessiert werden (Schablonen- / Stempeldruck)
• Einsatz von Nanopartikelpaste:
 Druck & Temperatur können reduziert werden
 SCOPUS-Literaturrecherche
mit „sintering” und „die
attach” als Suchbegriffe
unter „title, abstract,
keywords“
 stark ansteigende
Forschungsaktivitäten seit
2010
 Schablonendruck von
Ag-Paste auf
Trägerfolie
 Trocknen und
Austreiben von
Lösungsmitteln
 Abdrücken auf Chip mit
Transfermethode*
*G. Palm, Deutsches Patent, DE102004056702B3
 Aufnahme mit
Stempel und
Platzieren auf
Substrat
 Sintern
(Temperatur,
Duck, Zeit)
 Hochtemperaturstabile Chipmetallisierung mit Edelmetallabschluss
 Lebensdauer (mean-time-to-failure: MTF)
 Ea  1 1 
tMTF (T )=tMTF (T0 )exp−  − 
 k  T T0 
Metallisierung
Schichtdicke
(nm)
Ea (eV)
Ti/Pt/Au
80/80/720
Ti/Pd/Au
Ti/TiN/Au
tMTF (h)
T = 250 °C
T = 300 °C
0,99 ± 0,15
114
17
80/100/700
1,03 ± 0,30
254
35
60/100/700
5,67 ± 0,42
6 ×1018
1 ×1014
 Beschichtung einer Polymerfolie mit Silberpaste durch:
 Transfer der Paste von der Folie zu den
Dies durch Kaltpressen:
• Schablonendruck
• Stempeldruck
Übertragene Schichtdicke: 10 µm – 150 µm
(typisch: 25 µm ± 2.5 µm)
inhärent sichere Handhabung der Nanopartikel
(kein Einsatz loser Pulver)
GaPPhotodiode
(PD)
 modifizierter Flip-Chip-Bonder:
• hohe Positioniergenauigkeit
• einfache Handhabung kleiner
Bauteile (Chipfläche > 350 ×
350 µm2)
• Variation von Prozessparametern möglich
(Temperatur, Druck, Zeit)
• unmittelbare Prozesskontrolle
Fineplacer, Finetech GmbH & Co. KG
Inhalt
•
•
• Sinterpaste
•
•
Nanopartikel
Kupferpaste
•
Sinterpaste – Zielspezifikationen
 geringe Porosität
 hohe elektrische & thermische Leitfähigkeit
 starke Haftung an Chip und Substrat
 geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE)
 verträglich mit Chipklebemontage (geringe Prozesstemperatur)
 keine Chipbeschädigung (weicher Stempel, geringer Prozessdruck)
Porosität
 Verdichtungsrate:
1 dρ
1
[p + Σ (r )]
∝
ρ dt η (T )
Viskosität: nimmt ab mit T,
d.h. T ↑
Sinterspannung: nimmt ab
mit Partikelradius, d.h. r ↓
Prozessdruck: p ↑
Ferro Corporation (2009)
 mit Nanopartikeln können Prozesstemperatur & -druck verringert werden
Porosität
RT
200 °C
250 °C
Mikroflakes
(< 3 µm)
t = 2 min
p=0
Mikro & Nano
Nanokugeln
(< 100 nm)
 Verdichtung der Nanopaste schon bei 200 °C
 reine Nanopaste schwierig zu verabeiten -> Mischung aus Mikro- und Nanopaste
Porosität
T= 230 °C
p =13 N/mm2
t = 2 min
Nanopaste
hoch nanohaltige Paste
Mikropaste
 Porosität nimmt mit Schichtdicke ab
 Anstieg wächst mit zunehmendem Nanoanteil
 Porositäten bis hinab zu 10 % mit hoch nanohaltiger Paste
thermische Leitfähigkeit
 thermische Leitfähigkeit wächst mit abnehmender Porosität
 230 W/m/K mit hoch nanohaltiger Paste mit zehnprozentiger Porosität
Haftung
hoch nanohaltige Paste
T= 230 °C
P =13 N/mm2
t = 2 min
 Haftung wächst mit abnehmender Partikelgröße / Schichtdicke
 20 N/mm2 mit hoch nanohaltiger Paste bei einer Dicke von 30 – 40 µm
Wirkung durch Nano
 Nanopartikel in der Paste
+ Verdichtungsraten höher als für Mikropasten
+ geringe Porosität dünner Schichten -> hohe elektrische &
thermische Leitfähigkeit, hohe Schersspannung
+ geringere Werte für Prozesstemperatur und -druck
- Nanopartikel neigen zur Bildung von
Agglomeraten vor dem eigentlichen
Verbindungsprozess
- reine Nanopaste ist hoch viskos
-> schwierig zu verarbeiten
Agglomerate
(250 °C for 5 min)
 Kompromiss: Mischung aus Mikro und Nanopaste (hoher Nanoanteil)
Diamantfüllstoff
250 °C, 6 N/mm2, 2 min)
 Diamant hat geringen CTE und
hohe thermische Leitfähigkeit
 Sinterschicht mit 10 Gew.%
Diamantfüllstoff
Material
Diamantanteil
(Gew.%)
Tmax
(°C)
CTE
(ppm/K)
thermische
Leitfähigkeit
(W/m/K)
Porosität
(%)
elektrische
Leitfähigkeit
(MS/m)
P-1011*
-
350
37
1.3
-
0,2
Mikro**
-
380
20
117
45 ± 5
16
6 N/mm2 **
10
380
15
141
53 ± 5
5,2
13 N/mm2 **
10
380
15
244
36 ± 4
6,5
* elektrisch leitendes modifiziertes Polyimid; ** Sinterschicht: T = 230 °C, t = 2 min
 reduzierter CTE und erhöhte thermische Leitfähigkeit
 allerdings erhöhte Porosität und verringerte elektrische Leitfähigkeit
Kupferpaste
 Cu weitaus preisgünstiger als Ag: < 1/1000
 elektrische & thermische Leitfähigkeit, CTE, Schmelzpunkt, Elastizitätsmodul
nahezu gleich
 Diffusionsbarriere notwendig
 Oxid muss entfernt werden, Vorerhitzen in sauerstofffreier Umgebung
 erfolgreiches Sintern bei 350°C, 40 N/mm2, 2 min in Umgebungsluft
 Eigenschaften der Sinterschichten:
• Schichtdicke: 100 µm
• Porosität: 39 %
• elektrische Leitfähigkeit: 12,9 MS/m
• thermische Leitfähigkeit: 94 W/m/K
• Scherspannung: 9 N/mm2
Inhalt
•
•
• Sinterpaste
•
•
Nanopartikel
Kupferpaste
•
Untertageelektronik
Bohrturm
Bohrgestänge
BHA
Bohrtechnik
 Bottom Hole Assembly (BHA)
ausgerüstet mit elektronischen
Modulen für
• Sensoren für Measurement While
Drilling (MWD; Navigation, Vibration,
Dressure, Gesteinsporosität, …)
• Datenübertragung (Spülpuls)
• Energieversorgung (Generator)
MWD-Werkzeuge
Bohrkopf
 Ölreserven in zunehmend großer Tiefe
• hohe Bohrlochtemperaturen:
(150 – 250 °C)
• lange Bohrzeiten: (100 – 500 h)
geothermische Energieerzeugung
 Enhanced Geothermal Systems (EGS) in Deutschland
R. Schellschmidt, database of GGA-institute (2005)
According to Al Gore (2009)
 effiziente geothermische Energieerzeugung:
T > 150 °C (besser 250 °C, η = 14 %)
(Reinecke et al., Verbundprojekt Geothermie und Hochleistungsbohren (gebo),
(2010))
Chiptransistor
 Fairchild,
BC817
T = 250 °C; t = 2 min
Druck
(N/mm2)
Prozessfähigkeit
Edelstahl
34
0,8
PEEK CA 30
25
0,9
3 -16
1,8 – 4,2
2
Silikon
PEEK
 Silikonstempel:
• hochgradig reproduzierbar (process
capability CpK = 1,8 / 4,1)
Edelstahl
Silikon
unterer Grenzwert
• p = 3 N/mm2 bei T = 250 °C
 PEEK-Stempel:
• T = 200 °C bei p = 10 – 20 N/mm2;
12 – 14 N/mm2; CpK = 0,5 – 0,7
optomechanischer Drucksensor
 Ein-/ Ausgabemodul (LED/PD)
 keine Degradation des Dunkelstroms nach 400 Temperaturzyklen zwischen
100 °C und 250 °C
MEMS-Vibrationssensor
 empfindlicher Feder-Mass-Schwinger
 6,2 µm-dünne Feder -> zerbrechlich
 Verbindung nur zum Rahmen
 geringer Prozessdruck
 Stempeldruck der Paste auf Folie
 Transfer der Paste auf Substrat
 Aufnahme des Sensorchips mit Silikonstempel
und Platzierung auf Substrat
 Chipmontage bei geringem Druck (4 N/mm2)
 Silikonstempel mit Vertiefung für den Sensorchip
diffundiert
DL-SOI
Scherspannung Scherspannung
bei RT
bei 250 °C
(N/mm2)
(N/mm2)
13,0 ±1,4
12,4 ±1,9
Offset
bei 250 °C, t = 0
(mV)
2,70
Offset
TCO
bei 250 °C, t = 120 h
(mV)
(µV/V/K)
2,72
 Offsetdrift < 1 % nach 400 Temperaturzyklen zwischen 110 °C und 250 °C
16
 Vibrationstest mit konstanter Spannungsspeisung der Wheatstonebrücke
 TCS gegeben durch die Temperaturabhängigkeit des piezoresistiven K-Faktors
 kann eliminiert werden mit konstanter Stromspeisung
Peltierkühler
 Langzeitbohrung und -datenaufnahme
• aktive Kühlung von Untertageelektronik erforderlich
• thermoelektrische (TE) Kühler: kompakt, keine bewegten Teile
 gesinterter TE-Kühler getestet bei Umgebungstemperaturen bis 300 C
 ∆T = 35 – 70 K bei Pth = 0 und Umgebungstemperaturen von RT bis 300 C
 ∆Ri /Ri < 1,3 % nach 850 Lastwechseln zwischen 100 °C und 250 °C
 geringer spezifischer Kontaktwiderstand (1,4 ± 0,1)×10-5 Ωcm2;
< typische Werte von bleifreiem Lot (SnAgCu)
 kommerzielle Module (Marlow Ind., TEC*) sind auf < 200 °C begrenzt
* www.marlow.com; www.tec-microsystems.com
Zusammenfassung: Platziertes Drucksintern
Fläche
(mm2)
Temperatur
(°C)
Druck
(N/mm2)
Zeit
(min)
Stempel
0,79 × 0,79
200 - 250
10 - 20
2
PEEK
Nat. Semic.,
LM139A
1,0 × 1,0
250
15
2
PEEK
Infineon,
SIGC15T60
3,9 × 3,9
250
5
2
Silikon
Cree, InGaNLED
1,0 × 1,0
250
15 - 20
2
Stahl
Epigap, GaPPD
0,9 × 0,9
250
15 - 20
2
Stahl
1,22 × 1,22
250
4
2
Silikon
1,5 × 1,5
250 - 270
5,5
3,5
Silikon
Die
Fairchild,
BC817
MEMS-Vib.Sensor
Peltron, p- ,nTE-Schenkel
Schlussfolgerungen
• Drucksintern gegenüber Löt- & Klebeverbindungen bei > 175 °C
 besserer thermischer Kontakt
 bessere Lastwechselfestigkeit des Chipflächenverbunds
• Nanopartikel verbessern die Verdichtung der Sinterpaste für eine
 Verringerung von Prozesstemperatur und -druck
 Verbindung kleiner Chips ohne Oberflächenschädigung
 Verträglichkeit mit Chipklebemontage
• Chipmontage mit platziertem Drucksintern gezeigt für
 Transistoren, ICs und gebumpte Chips in Hybridmodulen
 LEDs, PDs und MEMS für MWD
 TE-Bauelemente für die aktive Kühlung von Untertageelektronik
Literatur
• J. Kähler, “Entwicklung eines Sinterverfahrens zur Chipmontage von Bauelementen und Sensoren für
Hochtemperatur-Elektronik”, Dissertation, Braunschweig, 2012 (Verlag Dr.-Hut, München, 2012).
• J. Kähler, N. Heuck, A. Stranz, A. Waag, and E. Peiner, "Pick-and-Place Silver Sintering Die Attach of
Small-Area Chips", IEEE Trans. Components, Packaging and Manufacturing Technol. 2 (2012) 199-207,
DOI: 10.1109/TCPMT.2011.2170571.
• J. Kähler, A. Stranz, A. Waag, and E. Peiner, "Packaging of MEMS and MOEMS for Harsh Environments",
SPIE J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 11 (2012) 021202, DOI:10.1117/1.JMM.11.2.021202.
• J. Kähler, A. Stranz, L. Doering, S. Merzsch, N. Heuck, A. Waag, E. Peiner, "Fabrication, Packaging, and
Characterization of p-SOI Wheatstone Bridges for Harsh Environments", Microsyst. Technol. 18 (2012) 869
878, DOI: 10.1007/s00542-011-1396-6.
• J. Kähler, N. Heuck, A. Wagner, S. Stranz, E. Peiner, and A. Waag, "Sintering of Copper Particles for Die
Attach", IEEE Trans. Components, Packaging and Manufacturing Technol. 2 (2012) 1587-1591, doi:
10.1109/TCPMT.2012.2201940.
• J. Kähler, T. Kruspe, S. Jung, G. Palm, A. Stranz, A. Waag, E. Peiner, "Method and Apparatus for Joining
Members for Downhole and High Temperature Applications", US 2012/0292009 A1; WO 2012/161987 A1
• J. Kähler, T. Kruspe, S. Jung, A. Stranz, A. Waag, E. Peiner, "Thermoelectric devices using sintered
bonding", US 2012/0291454 A1; WO 2012/116107 A1
• J. Kähler, E. Peiner, A. Stranz, A. Waag, "High temperature piezoresistive strain gauges made of SiliconOn-Insulator", US 2013/0068008 A1; WO 2012/141843 A3.

Chipmontage mit Drucksintertechnik

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