Gedruckte Elektronik und Leistungselektronik? Es besteht ein direkter Zusammenhang über die angefügten Materialien. Dies ist in der Tat eine Erfolgsgeschichte, aber wie bei vielen anderen Geschichten in der gedruckten Elektronik wird sie anders genannt, sobald sie auf den Markt kommt. Worum geht es bei dieser Geschichte?
Viele Die-Attach-Systeme in der Leistungselektronik (IGBT-Mosfets, SiC, GaN, LEDs usw.) verwenden weiterhin Lot. Dank der Breitband-Halbleiter (WBS) geht der Trend zu immer höheren flächenbezogenen Leistungsdichten, was sich in einer höheren Sperrschichttemperatur niederschlägt. Diese Umstellung auf WBS bedeutet, dass nicht mehr der Halbleiter der begrenzende Faktor ist, sondern das Verpackungsmaterial.
Ein solches Material, das nicht ausreicht, ist bleifreies Lot. Bei Betriebstemperaturen wie 175 °C (Ziel sind 200 °C und mehr) sollte die Höchsttemperatur des Lots 265 °C betragen, wenn die homologe Temperatur 50 % oder weniger betragen soll. Die erste Folie unten zeigt, dass bleifreie Lote keine ausreichend hohe Schmelztemperatur haben. Das übliche SAC-Lot liegt deutlich darunter. AuSn oder SnAgSb könnten eine Alternative sein, aber auch sie müssen nahe an ihrer Grenze arbeiten.
Um dieses Manko zu beheben, bieten gesinterte metallische Die-Attach-Materialien (Ag und Cu) eine gute Alternative. Die Tabelle in Folie 2 zeigt, dass gesintertes Ag (auch Cu) eine massentaugliche Schmelztemperatur hat, die sehr hohe Betriebs- bzw. Sperrschichttemperaturen ermöglicht. Die Wärmeleitfähigkeit kann - je nach Sinterung - sehr hoch sein, sogar viel höher als bei AuSn.
Die Technologie wird bereits seit vielen Jahren kommerziell genutzt, z. B. in Tesla-Autos (Ag-gesinterte Die Attachments auf SiC-Leistungselektronik). Es ist ein Markt, der mit der fortschreitenden Elektrifizierung der Fahrzeuge weiter wachsen wird. Er wird auch weiter wachsen, wenn GaN-Leistungsverstärker in der 5G-Kommunikationsinfrastruktur Fuß fassen.
Das gesinterte Metall kann auf unterschiedliche Weise verwendet werden. Bei der gedruckten Variante kann die Die-Attach-Paste (die Ag- oder Cu-Partikel enthält) mit einer Schablone oder im Siebdruckverfahren aufgebracht oder aufgetragen werden. Bei der "gedruckten" Version wird die Paste meist im Siebdruckverfahren aufgebracht, vorgetrocknet, die Matrize positioniert, das Substrat vorgewärmt und unter Druck gesintert. Ziel ist es, eine starke Haftung zu erzielen und eine möglichst feste, hohlraumfreie Verbindung zu schaffen. Aus diesem Grund wird manchmal äußerer Druck ausgeübt, um alle Hohlräume herauszudrücken und eine kompakte, feststoffähnliche Klebefläche zu bilden. Bei einer anderen Technik kann ein trockener Film auf einen Wafer laminiert werden. Die Stümpfe werden also mit dem bereits aufgebrachten Die-Attach entnommen. Alternativ kann man auch einen Trockenfilm verwenden.
Diese Technologie hat einen langen Weg hinter sich. Es gibt jetzt viele drucklose Versionen, die auch schnell sinterbar sind. Es werden sowohl Partikel in Nano- als auch in Mikrongröße verwendet. Die Technologie bietet jetzt auch eine gute Haftfestigkeit selbst auf nicht passenden Oberflächen (z. B. beim Aufbringen von Ag-Die-Attach auf eine Cu-Oberfläche). Dennoch ist es immer noch kein vollständiger Ersatz für Bleilot.
Das Diagramm auf der letzten Folie ist eine ausgezeichnete Studie, die kürzlich von einem DA%-Konsortium veröffentlicht wurde und ein echtes Benchmarking auf der Grundlage von Testergebnissen bietet. Die Technologie gewinnt also, wenn kein Blei verwendet werden kann, die Kosten vertretbar sind und das bleifreie Lot nicht ausreicht. Es gibt jedoch noch Raum für Verbesserungen, um mit dem Klassenbesten der bleihaltigen Lote gleichzuziehen.
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