Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts: IGF Projekt 20132 N – AgOn3D
„Silbersintern auf 3D-Keramiksubstraten für Elektronik in Hochtemperaturanwendungen“
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Räumliche Schaltungsträger in herkömmlicher MID-Technik bieten für die Elektronikintegration einen hohen Grad an Gestaltungsfreiheit sowie Rationalisierungs- und Miniaturisierungspotential. Des Weiteren lassen sich durch die Integration der dritten Dimension in den Schaltungsträger Material- und Kosteneinsparungen realisieren. So kann durch die Anpassung an räumliche Gegebenheiten wertvoller Bauraum effizient genutzt werden und Sensorik-Konzepte von hohem Integrationsgrad können umgesetzt werden.
Dreidimensionale Schaltungsträger aus Kunststoff (Molded Interconnect Devices – MIDs) ermöglichen die Verschmelzung von Elektronik und Mechanik zu komplexen und hochintegrierten mechatronischen Baugruppen, daher spricht man teilweise bereits von Mechatronic Integrated Devices. Durch gesetzliche Bestimmungen, neue Einbauorte, steigende Zuverlässigkeits-anforderungen und zunehmender Integration ist ein wachsender Anteil der MIDs immer höheren Beanspruchungen ausgesetzt.
Der Einsatz herkömmlicher räumlicher Schaltungsträger ist in harscher Umgebung bisher nur eingeschränkt möglich. Bedingt durch die limitierte Einsatztemperatur von Thermoplasten können die Potentiale räumlicher Baugruppen nicht voll ausgeschöpft werden. Durch den Einsatz von thermisch beständigeren Duroplasten kann der thermische Einsatzbereich des Substrats noch etwas zu höheren Temperaturen verschoben werden. Sowohl im Automotive-Bereich als auch in Industrieanwendungen steigen die Anforderungen an die maximale Umgebungstemperatur der Elektronik und den Integrationsgrad der Baugruppen beispielsweise durch motornahen Einbau oder Sensorik im Abgasstrang. Daher sind für derartige Anwendungsfälle keramische Schaltungsträger, die neben einer hohen Wärmebeständigkeit auch eine hervorragende chemische Beständigkeit aufweisen, besonders geeignet. Durch ihre hohe Wärmeleitfähigkeit wer-den planare Keramiksubstrate als sog. Direct-Copper-Bonded-Substrate bereits heute in der Leistungselektronik in hohen Stückzahlen als Schaltungsträger eingesetzt. Das Schaltungslayout dieser Substrate folgen jedoch einer rein zweidimensionalen Designstrategie.
In der Kunststoff-MID-Technologie haben sich mehrere Metallisierungsverfahren etabliert. Diese reichen vom Zweikomponentenspritzgussverfahren, über das Heißprägen, bis zum Verfahren der Laserdirektstrukturierung (LDS). Das LDS-Verfahren stellt dabei eine sehr attraktive Fertigungstechnologie dar, welche eine dreidimensionale Metallisierung der Substrate ermöglicht. Das LDS-Verfahren ist am weitesten verbreitet und ermöglicht ein individuelles und dreidimensionales Schaltungslayout. Diese Verfahren sind nur bei herkömmlichen MID-Schaltungsträgern aus Kunststoff umsetzbar und daher nicht für die Realisierung von Anschlussflächen und Leiterbahnen auf hochtemperaturtauglichen Substraten geeignet.
Für den Bereich der Leistungselektronik und der LED-Technik setzen sich vermehrt keramische Substrate für thermisch anspruchsvolle Bedingungen durch. Als wesentliche Verfahren zur Herstellung geeigneter Metallisierung auf keramischen Substraten haben sich das Direct-Copper-Bonding (DCB), die Dickfilmtechnik sowie die Einbrand-Keramiken (LTCC und HTCC) etabliert. Während diese Verfahren bewährte Möglichkeiten zur Realisierung von Schaltungslayouts auf flachen keramischen Substraten sind, zeigen sich starke Einschränkungen bei der Umsetzung von räumlichen Schaltungslayouts.
Bei der Dickfilmtechnik und dem LTCC-Verfahren erfolgt die Realisierung des Leiterbildes durch den Auf-trag von Metallpaste im Siebdruckverfahren. Das Direct-Copper-Bonding-Verfahren ermöglicht das Auf-bringen von Schaltungsstrukturen aus Kupfer durch Verglasen von Kupferfolien mit dem Keramiksubstrat. In nachfolgenden Ätz- und Abscheideverfahren werden die Leiterbahn- und Anschlussstrukturen sowie veredelte Endoberflächen realisiert. Diese Verfahren sind daher nicht auf räumliche Körper und Anschlussflächen übertragbar.
Um wirtschaftlich ein dreidimensionales Layout auf einen keramischen Schaltungsträger aufbringen zu können, kann kein Standard-Strukturierungs- und Metallisierungsverfahren eingesetzt werden, sondern es muss ein additives und flexibles Verfahren angewendet werden.
Für den Einsatz bei hohen Temperaturen müssen auch die Fügeprozesse zur Bauteilmontage kritisch betrachtet werden. In der MID-Technologie haben sich mehrere Fügeverfahren und Verbindungsmedien etabliert. So sind neben Lotpasten auch Klebstoffe bewährte Fügemedien. Bei der auf Kunstoffen basieren-den MID-Technologie muss die maximale Temperaturbelastbarkeit und -beständigkeit des eingesetzten Kunststoffes berücksichtigt werden.
Auf räumlichen Schaltungsträgern kommt häufig das sog. Dispensverfahren zum Einsatz, bei dem das Fügematerial mit einem speziellen Dosierventil aufgetragen wird. Das Dispensen erhöht aufgrund des Zeit-bedarfes die Taktzeit gegenüber dem Schablonendruck, ermöglicht aber eine hohe Flexibilität beim Layout und Dosiervolumen. Das in der MID-Elektronik am häufigsten einsetzte Verfahren ist das Reflow-Löten in Durchlaufkonvektionsöfen. Surface-Mounted-Devices (SMD) oder z. B. ungehäuste Chips, werden auf dem räumlichen Substrat verlötet oder verklebt.
Durch die 2006 in Kraft getretene und 2011 angepasste Restriction of Hazardous Substances (RoHS) Richtlinen werden bisher eingesetzte bleihaltige Lote verboten. Dies führte zur Suche nach alternativen Materialien und Fügekonzepten, die der neuen Richtlinie entsprechen und die zukünftigen Anforderungen und Trends wie steigende Umgebungstemperaturen im Automobilbereich oder neue Hochtemperatur-Anwendungen in Industrieprozessen erfüllen [8]. Der Schmelzpunkt der in der Elektronikbranche und MID-Technik seit RoHS üblichen Lotlegierungen liegt zwischen 217 °C und 224 °C (Bsp. SnAg3,5Cu0,7, Sn96.5Ag3.5).
Bei zyklischen thermischen Belastungen ermüdet die Lotverbindung bis zum Ausfall. Unter harschen Bedingungen fällt SAC-Lot mitunter sogar früher aus als das mittlerweile verbotene SnPb-Lot. Somit ist die Kontaktierung von Elektronik mit den heute in der MID-Technologie eingesetzten SAC-Loten als Fügematerialien für Hochtemperaturanwendungen nicht zielführend. Aus den steigenden Anforderungen zur Integration von Baugruppen, den harscheren Umgebungsbedingungen, den neuen Anwendungsfeldern und Einbausituationen folgt, dass die Standard-Technologien zur räumlichen Integration von Elektronik für hohe Temperaturen nur eingeschränkt nutzbar sind.
Eine Möglichkeit zur additiven Metallisierung stellen generative Direktbeschichtungsverfahren, wie z.B. Plasmacoating dar. Verschiedene Systeme für die Metallisierung aus kalt-aktivem Plasma sind bereits heute kommerziell verfügbar. Mit Hilfe dieser Beschichtungsverfahren lassen sich kontakt- und löse-mittelfrei Strukturen aus pulverartigen Materialien, wie Metalle, auf verschiedenen Substraten (z. B. Kunststoffe, Keramiken, Halbleiter) aufbringen. Die Vorteile liegen in der hohen Auftragsgeschwindigkeit, einer variablen Schichtdicke zur optimierten Anbindung und der inline-Fähigkeit des Systems. Zentraler Gesichtspunkt der Anlage ist der Einsatz eines kaltaktiven Atmosphären-Plasmas, welches durch seine niedrige Arbeitstemperatur eine entsprechend geringe Oberflächentemperatur auf der Substratoberfläche zur Folge hat. Die Schichten werden mit Hilfe eines Pulver-Gas-Gemisches abgeschieden.
Grundsätzlich muss hierfür ein Trägergasstrom mit einem in Pulverform vorliegenden Werkstoff versetzt werden. Die verwendeten feinkörnigen Pulver mit Korngrößen zwischen 100 nm und 20 μm können dabei auf metallischen (Cu, Sn, Zn, Ag) oder nichtmetallischen Grundstoffen basieren. Die Herausforderung liegt in der Ausbildung und der Zuverlässigkeit des benötigten Stoffschlusses zwischen Substrat und generierter Schicht. Diese wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst.
Neben den prozessseitigen Parametern, wie der Pulver- und Gaszufuhrmenge, dem Abstand zwischen Plasmadüse und Substrat und der Beschichtungsgeschwindigkeit, wirken sich auch die Eigenschaften der Substratoberfläche auf die Haftfestigkeit der erzeugten Schicht aus. Eine definierte Rauheit fördert die Haftung zwischen leitender Schicht und Substrat, kann aber bei zu hohen Rz-Werten wiederum hinderlich sein. Da das Ergebnis dieses Beschichtungsprozesses als Anschlussfläche dienen soll, gilt es durch geeignete Parameter der additiven Fertigung gleichmäßige Schichtdicken auf räumlichen Keramiken zu realisieren sowie Inhomogenitäten der Materialeigenschaften der gedruckten Schichten zu vermeiden. Hier ist die Herausforderung die optimale Kombination aus der Fülle an Variationsmöglichkeiten zu finden. Die wirtschaftlichen Aspekte können durch den Einsatz günstiger, unedler Materialien berücksichtigt werden, wo-raus sich jedoch weitere Herausforderungen ergeben. Die hohe Oxidationsbereitschaft reinen Kupferpulvers macht beispielswiese eine unmittelbare Passivierung oder Reinigung der erzeugten Schicht nach dem Beschichtungsprozess erforderlich. Die innovative Anlagentechnik ermöglicht es in einem Prozesszyklus sowohl die Kupferfläche aufzubringen als auch anschließend mit einer Passivierungsschicht zu überziehen oder zu Reinigen. Die Herausforderung liegt hier auf der Prozessparameterkombination. Die Kontaktierung der erzeugten Schichten an das Gesamtsystem stellt eine Herausforderung hinsichtlich der Aufbau- und Verbindungstechnik dar. Hier gilt es zu betrachten, ob moderne Verbindungsmaterialien eine zuverlässige Verbindungstechnik gewährleisten können.
Eine Alternative zu den herkömmlichen Lötverfahren stellt die sog. Niedertemperaturverbindungstechnik (NTV), auch Silbersintern genannt, dar. Die Silbersintertechnologie hat ihr Ursprünge in Anwendungen der Leistungselektronik, wo sie in den letzten Jahren zunehmenden die bisherige Löttechnologie ablöst, da die Silbersintertechnologie der bisherigen auf Zinn-Silber-Legierungen basierenden Löttechnologie bei der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit und dem thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) überlegen ist. In dieser Technik ersetzen Silberpartikel, welche bei hohem Druck und Temperaturen um 250 °C zwischen den Kontaktflächen zusammengepresst werden, die bisherige Lotschicht. Durch das Verdichten der Silberpartikel und das Induzieren von Diffusionsprozessen kommt es zur Ausbildung einer sehr zuverlässigen stoffschlüssigen Verbindung. Diese neue Technologie zeichnet sich durch eine hohe Lastwechselfestigkeit aus. Die geringe Materialermüdung bei regulären Betriebstemperaturen von Leistungselektronik (ca. 150 °C – 175 °C) ist dem hohen Schmelzpunkt der NTV-Schicht (ca. 961 °C) zu verdanken, der ebenfalls die Verwendung bei hohen Umgebungstemperaturen ermöglicht.
Für Niedertemperaturverbindungstechnik können zum einen das Sintern mit und zum anderen das Sintern ohne externen isostatischen Druck unterschieden werden. Bei dem in der Leistungselektronik angewandten Drucksinter-Prozess (siehe Abbildung 10) wird nach dem Applizieren der Silbersinterpaste im Schablonendruckverfahren auf ein DCB-Substrat das bedruckte Substrat getrocknet. Anschließend werden die Silizium-Chips auf die trockene Paste bestückt. Der eigentliche Fügeprozess findet bei 230 °C – 250 °C in einer Presse statt und dauert ca. 3 – 5 Minuten [16]. Die Druckbeaufschlagung von 10 – 30 MPa [16] führt zu einer größeren Dichte der Silbersinterschicht, kürzeren Prozesszeiten und höherer Festigkeit.
Im drucklosen Sinterprozess entfällt der Trocknungsschritt nach dem Drucken oder Dispensen der Sinterpaste. Das Bauelement wird auf die feuchte Sinterpastenschicht bestückt und in einem Konvektionsofen bei 230 °C für 90 min gesintert. Die im drucklosen Prozess erzeugten Fügeschichten weisen niedrigere Festigkeitswerte auf als die druckgesinterte Schicht, allerdings ist es so möglich, auch druckempfindliche Bauteile wie z. B. LEDs mit der Silbersintertechnologie zu fügen und eine hohe Zuverlässigkeit und Temperarturstabilität der Fügeschicht zu erreichen. Silbersintermaterialien stellen eine innovative Fügetechnologie dar, der hohe Schmelzpunkt von Silber ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Fügematerialien höhere Einsatztemperaturen. Der niedrige CTE von Silber gegenüber Standardlotmaterial führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit der Fügeverbindung. Diese Vorteile bestechen bisher allerdings nur in planaren Anwendungen der Leistungselektronik und Beleuchtungstechnik. Bei der Kombination der Silbersintertechnologie mit den Möglichkeiten räumlicher Schaltungsträger ergeben sich neue Herausforderungen an die Material- und Prozesstechnik.
Es stellen sich Herausforderungen vor allem im Bereich der additiven Fertigung und der Verbindungstechnik dar. Die erzeugten Strukturen auf der Keramik und die Fügeschicht zwischen Anschlussfläche und Bauelement müssen den thermomechanischen Ansprüchen bei hohen Umgebungs- bzw. Betriebstemperaturen gerecht werden. Dies erfordert abgestimmte Materialien und Prozesse. Das Sintern auf additiv hergestellten Anschlussflächen hebt sich hinsichtlich der Applikation der Sinterpaste, des Bestückungsprozess und des Sinterprozesses von bisher üblichen planaren Anwendungen ab.
Um die Vorteile der Silbersichtschicht auf nicht planaren Anschlussflächen von räumlichen Schaltungsträgern zu nutzen, kann kein Standardprozess eingesetzt werden. Die Herausforderung besteht im Wesentlichen darin, eine zuverlässige Fügeverbindung mit hoher Festigkeit zwischen Keramik und Leiterbahnmetallisierung sowie via Silbersintermaterial zwischen Anschlussflächen und Bauelement herzustellen. Dazu gilt es die Materialien und Prozesse der additiven Fertigung von Leiterstrukturen und der Silbersintertechnologie aufeinander abzustimmen. Die Materialien der additiven Fertigung von Anschlussflächen aus Silber oder Kupfer wurden noch nicht hinreichend für die Silbersintertechnologie charakterisiert und erprobt.
Da die Anbindung an die Substratmetallisierung beim Silbersintern durch die Diffusion von Silberpartikeln zu Stande kommt, haben die Silberpartikel und die Oberflächentopologie der Anschlussfläche und deren Material einen großen Einfluss auf das Fügeergebnis. Die Materialien und Prozessparameter müssen so gewählt und aufeinander angestimmt werden, dass es den Silberpartikeln möglich ist, mit den additiv er-stellten Anschlussflächen zu einer festen Verbindungsschicht zu versintern.
Mittels der Methode der additiven Fertigung sollen gleichmäßige Schichtdicken von Anschlussflächen und Leiterbahnen auf räumlichen Keramiken realisiert sowie inhomogene Materialeigenschaften der gedruckten Schichten vermieden werden. Der Übergang von der planaren Anwendung zu dreidimensionalen Substraten stellt erhebliche Herausforderungen an die Sinterpastenapplikation, an den Bestückprozess und vor allem an den Sinterprozess sowie dessen Prozessparameter (Sinterzeit, -temperatur, -druck und Prozess-atmosphäre).
Als Anwendungsfelder der Silbersintertechnologie auf räumlichen keramischen Schaltungsträgern können neben dem Bereich der Sensorik auch der Beleuchtungsbereich und die Leistungselektronik genannt wer-den. Leistungs-LEDs erzeugen eine hohe Wärmeleistung, die effizient abgeführt werden muss, um eine Beschädigung der LEDs, Farbveränderungen und einen vorzeitigen Ausfall durch thermische Alterung oder Überlastung zu unterbinden. In der Leistungselektronik werden Halbleiter bereits heute in der Silbersinter-technik gefügt, doch den räumlichen Möglichkeiten z. B. bei motornah verbauten Leistungsmodulen, sind durch die bisherigen Modulaufbauten Grenzen gesetzt. Ebenso können durch die hervorragende chemische Beständigkeit der Keramiken diese Schaltungsträger in Bereichen eingesetzt werden, welche mit den Kunststoff-MIDs bisher nicht zu erschließen waren.
Dies zeigt, dass die Vereinigung von räumlichen keramischen Schaltungsträgern mit der Silbersintertechnologie nicht als Substitut für bisherige, etablierter MID- und Fügetechnologie zu verstehen ist, sondern als Erweiterung des Einsatzspektrums. Die Vereinigung der Technologien erlaubt eine hohe Gestaltungsfreiheit und eine hohe Temperaturbeständigkeit und Zuverlässigkeit. Der optionale Einsatz dieser Verfahren vergrößert die Anwendungsmöglichkeiten und ermöglicht eine Minimierung der Bauteilgröße und eine Optimierung der Geometrie an die Bedingungen des Einbauortes.
Innovativer Beitrag
Aktuelle Trends in der Elektronikproduktion und insbesondere der Leistungselektronik erfordern den Einsatz flexibler und innovativer Fertigungstechnologien um bei fortschreitender Miniaturisierung eine höhere Funktionsintegration bei gesteigerter Zuverlässigkeit und Effizienz zu ermöglichen. Weiterhin erfordert der Einsatz neuer Bauelementtechnologien (z.B. Wide-Band-Gap) eine Erweiterung der Betriebsparameter was den die Entwicklung und den Einsatz hochtemperaturstabile Aufbau- und Verbindungstechnologien erfordert. Das Projekt „AgOn3D“ hat hierzu ein alternatives Konzept für die selektive Metallisierung räumlicher keramischer Schaltungsträger untersucht auf welchem im Folgenden Bauelemente (z.B. Sensorik, Logik, etc.) mittels druckloser Sinterprozesse effizient, zuverlässig und robust kontaktier werden. Derzeitige Verfahren und Konzepte sind aufgrund des Einsatzes von polymeren Schaltungsträgern und lotbasierter AVT stark thermisch limitiert, was den Einsatz effizienterer und leistungsfähigerer Komponenten ausschließt. Das untersuchte Fertigungskonzept bietet durch den Einsatz leistungsfähiger Substrattechnologien; höhere thermische Stabilität durch den Einsatz von Keramik, höhere Stromtragfähigkeit durch robuste und massivere Kupferleiterzüge und höhere Designfreiheit und Funktionsintegration durch den Einsatz räumlicher Schaltungsträger, hier immense Vorteile. Der Einsatz einer drucklosen Silbersinterpaste ermöglicht eine hochtemperaturstabile und mechanisch robuste Anbindung mit welcher eine hohe Lebensdauer bei hohe Systemzuverlässigkeit gegeben ist. Der Nutzen der in diesem Projekt erarbeiteten Erkenntnisse kommt daher vor allem Unternehmen im Bereich der KMU zugute, deren Schwerpunkt im Bereich der leistungselektronischen Packagingtechnologien, Sensorikanwendungen oder Materia- lund Anlagentechnik liegt.
Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
Die derzeitig fortschreitende Elektrifizierung stellt aktuelle Fertigungskonzepte vor große Herausforderungen bzw. zeigt ihre Grenzen auf. Gerade in harschen Umgebungsbedingungen wie z.B. Windparks (offshore als auch onshore) oder Automotive-Anwendungen der Elektromobilität ist immenser Bedarf an zuverlässigerer und effizienterer Elektronik zu verzeichnen. Räumliche keramische Schaltungsträger, individuell und flexibel strukturierbar in Verbindung mit innovativer und leistungsfähiger Aufbau- und Verbindungstechnik adressiert diese Anforderung. Die Zusammenfassung der relevanten Prozessschritte der Metallisierung und anschließender Kontaktierung beinhaltet ein enormes wirtschaftliches Potential, da aus fertigungs- und prozesstechnischer Sicht sowohl eine Flexibilisierung als auch einer Steigerung der Zuverlässigkeit und Effizienz und somit auch der Qualität erreicht werden kann. Die Reduktion der Komplexität des Metallisierungsverfahrens ermöglicht weiterhin auch KMU den Zugriff oder die eigenständige Prozessierung verkupferter Halbleiterbauelemente. Die Silbersintertechnologie stellt auf Grund ihrer thermischen, elektrischen, aber auch mechanischen Eigenschaften eine hochattraktive Fügetechnik für leistungsstarke Halbleitermodule und Sensortechnik in harschen Umgebungsbedingungen dar. Ein Silbersinterprozess ermöglicht eine hohe Temperaturbeständigkeit der Fügeverbindung und ermöglicht neue Einsatzgebiete für Sensorik- und Schaltungselemente. Ein druckloser Sinterprozess ermöglicht die Anbindung auf planaren aber auch räumlichen Substratflächen und kann somit die technologischen Vorteile des Silbersinterns mit einer größeren Gestaltungsfreiheit, Miniaturisierungspotential und Anwendungsorientierung vereinen. Die letztendliche Anwendung der Ergebnisse ist über viele Branchen hinweg, wie z.B. Antriebstechnik, Energietechnik, Mikrosystemtechnik, Automatisierungstechnik, Medizintechnik, Informations- und Kommunikationstechnik möglich.
Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier.
