Untersuchung von Nichtsilbermaterialien als Füllstoff für gesinterte Silberverbindungen für SiC-Leistungshalbleiteranwendungen

Die Markteinführung neuer, effizienterer Halbleitermaterialien mit größerer Bandlücke sowie geltende gesetzliche Einschränkungen von bisherigen bleihaltigen Lotmaterialien sind die aktuellen Innovationstreiber für die Suche nach alternativen Fügetechnologien im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik der Leistungselektronik. Neben den steigenden Anforderungen an die Verbindungsmaterialien insbesondere hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit bei zugleich erhöhten Einsatztemperaturen, spielt der Kostenfaktor ebenfalls eine entscheidende Rolle. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Doktorarbeit mit der Modifizierung von Silbersintermaterialien mit nicht-silber Füllstoffen, um gezielt die Materialeigenschaften allen voran die Temperaturwechselfestigkeit zu optimieren und zugleich die Kosten durch einen reduzierten Silbergehalt zu senken. ... mehr
Die Untersuchungsmethodik ist zweistufig aufgebaut. In der ersten Phase werden kommerziell verfügbare Sinterwerkstoffe mit verschiedenen Füllstoffen versetzt, welche sich in Material oder Pulvertyp unterscheiden. Diese werden anhand von relevanten Kenngrößen der Leistungselektronik systematisch hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften analysiert. Dabei werden neben der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, die mechanische Scher- und Zugfestigkeit, sowie die Temperaturwechselfestigkeit ermittelt, wobei die mechanische Zuverlässigkeit von besonderem Interesse ist. Anschließend werden die Eigenschaften der mit Füllstoff modifizierten Sinterpasten mit Hilfe eines Bewertungsschemas beurteilt. In der zweiten Phase der Arbeit wird das Sintermaterial mit der favorisierten Pastenmodifikation weiter optimiert und die funktionalen Eigenschaften aus materialtechnischer Sicht betrachtet.
In der ersten Projektphase geht das Sintermaterial mit Zinn-Silber-Kupfer als Füllstoff (SAC-Sintermaterial) mit den besten Eigenschaften hervor. In den weiterführenden Untersuchungen der zweiten Projektphase hat sich gezeigt, dass sich das SAC-Sintermaterial im Vergleich zu klassischen Sintermaterialien durch ein zweiphasiges Gefüge auszeichnet, wobei die gesinterte Silbermatrix durch lokal gebildete intermetallische Phasen (Ag3Sn) verstärkt wird. Diese Gefügeveränderung bildet die Grundlage für eine höhere mechanische Festigkeit, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, und sorgt weiterhin für eine signifikante Steigerung der Temperaturwechselfestigkeit. Einen weiteren Vorteil stellt die hohe Temperaturstabilität bei gleichzeitigem Oxidationsschutz der Fügepartner dar. Zudem ermöglicht die Modifikation mit SAC-Füllstoff eine sehr flexible Prozessierung in Anbetracht des Sinterprozes-ses und der geeigneten Bauteilendoberflächen.
Die Eignung der mit SAC-Füllstoff modifizierten Sinterpaste als Fügematerial für zukünftige Leistungsmodule mit SiC-Halbleitermaterialien unter der Verwendung eines moderaten Sinterprozesses konnte sowohl anhand von passiven Temperaturwechseltests als auch aktiven Lastwechseltests nachgewiesen werden. Im Vergleich zum klassischen Ag-Sintermaterial (87 % Festigkeitsabfall), zeigte das modifizierte „SAC-Sintermaterial“ selbst nach 3000 Zyklen nur eine geringe Veränderung der Haftfestigkeit (6 %). Ebenso konnte eine signifikante Steigerung der charakteristischen Lebensdauer im aktiven Lastwechseltest nachgewiesen werden, obwohl die Wärmeleitfähigkeit durch den SAC-Füllstoff negativ beeinflusst wird.
Damit konnte im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt werden, dass klassische Ag-Sinterschichten durch nicht-silber Füllstoffe hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften, unter der Verwendung eines moderaten Sinterprozesses, modifiziert werden können. Ferner konnten auf diese Weise die Materialkosten aufgrund des geringeren Ag-Gehalts reduziert werden.

The market launch of new, more efficient semiconductor materials with larger bandgaps and current legal restrictions on solder materials containing lead are the current innovation drivers for the search for alternative joining technologies in the field of packaging and interconnection technology for power electronics. In addition to the increasing demands on the joining materials, particularly regarding their reliability at increased operating temperatures, the cost factor also plays a decisive role. Against this background, the present doctoral thesis deals with the modification of silver sintering materials with non-silver fillers in order to specifically optimize the material properties, above all the thermal shock resistance, and at the same time to lower the costs by reducing the silver content. ... mehr
The investigation methodology is based on a two-stage approach. In the first phase, commercially available sinter materials are mixed with various fillers which differ in material or powder type. These are systematically analyzed with respect to their material properties on the basis of relevant power electronics parameters. In addition to electrical and thermal conductivity, mechanical and tensile strength as well as thermal shock resistance are determined, with mechanical reliability being of particular interest. Subsequently, the properties of the filler-modified sintered pastes are evaluated by means of an evaluation matrix. In the second phase of the work, the sintered material with the favored paste modification will be further optimized and the functional properties will be considered from a materials engineering point of view.
In the first phase of the project, the sintered material with tin-silver-copper as filler (SAC sintered material) outperformed the other modified sinter materials. In the further investigations of the second project phase, it was shown that the SAC sintered material is characterized by a two-phase microstructure com-pared with classical sintered materials, with the sintered silver matrix being reinforced by locally formed intermetallic phases (Ag3Sn). This microstructural change forms the basis for higher mechanical strength, especially at elevated temperatures, and also ensures a significant increase in thermal shock resistance. A further advantage is the anti-oxidation properties which led to high-temperature stability of the joining partners. In addition, modification with SAC filler allows very flexible processing in terms of the sintering process and the suitable component end surfaces.
The suitability of the sinter paste modified with SAC filler as a joining material for future power modules with SiC semiconductor materials using a moderate sintering process was demonstrated by both passive temperature cycling tests and active power cycling tests. Compared to the classical Ag sintered material (87% strength decrease), the modified "SAC sintered material" showed only a slight change in bonding strength (6 %) even after 3000 cycles. Similarly, a significant increase in characteristic life was demon-strated in the active power cycling test, although the thermal conductivity was negatively affected by the SAC filler.
This work demonstrated that classical Ag sintered materials can be modified by non-silver fillers with respect to their material properties, using a moderate sintering process. Furthermore, the material costs could be reduced due to the lower Ag content.