Untersuchung von Nichtsilbermaterialien als Füllstoff für gesinterte Silberverbindungen für SiC-Leistungshalbleiteranwendungen
Creators: name: Stenzel, David Burkhard
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Aufbau- und Verbindungstechnik
Silbersintern
Modifizierte Silbersinterverbindungen
Füllstoffe
SiC-Halbleiter
Zuverlässigkeit

description: 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. 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.