Prozess- und Produktentwicklung

Dielöten

Röntgenmikroskopische Aufnahme einer Die-Lötung; SnAg3,5-Lot, Chipgröße (12,5 × 12,5) mm²

Röntgenmikroskopische Aufnahme einer Die-Lötung; SnAg3,5-Lot, Chipgröße (12,5 × 12,5) mm²

REM-Aufnahme einer Die-Lötung im Querschliff; SnAg3,5-Lot

REM-Aufnahme einer Die-Lötung im Querschliff; SnAg3,5-Lot

Für das Die-Löten von Leistungshalbleitern existieren verschiedene Technologien, die alle sicherstellen müssen, dass die flächigen Lötverbindungen möglichst vollständig porenfrei sind. Vielfach wird Lot in Form von Paste verwendet, wobei die Lotpaste durch Drucken auf das Substrat aufgetragen wird, die Halbleiter darauf platziert und anschließend in einem Ofen gelötet werden. Die Verwendung von Pasten hat den Vorteil, dass die auf die Lotpaste platzierten Bauelemente gut auf dem Substrat haften. Dies ermöglicht auch die Anwendung des Dampfphasenlötens. Wie aber auch immer gelötet wird, die in der Lotpaste enthaltenen Flussmittel, die unweigerlich Poren verursachen, müssen durch einen Vakuumprozessschritt wieder entfernt werden.
Bei anderen Löttechniken wird das Lot als Preforms angeboten. Das IZM hat einen Lötprozess entwickelt, mit dem in aktiver Atmosphäre, aber ansonsten flussmittelfrei und ohne die Anwendung eines Vakuumschrittes, nahezu vollständig porenfreie flächige Lötverbindungen erzeugt werden können. Mit SnAg-Preforms wurden Bauelemente einer Fläche von bis zu (12,5 × 12,5) mm2 ohne Vakuum flächig und vollständig porenfrei mit DBC-Substraten verbunden. Ein Vorteil dieser Technik ist es, dass der Vakuumschritt eingespart wird. Viel entscheidender ist jedoch, dass Poren aufgrund von schlechter Benetzung gar nicht erst entstehen. Diese können zwar durch Vakuum weitgehend eliminiert werden. Eine Benetzung kann durch Vakuum jedoch nicht erzwungen werden, so dass häufig flächige Fehlstellen zwischen Halbleiter und Substrat verbleiben, die schädlich im Sinne der Wärmeanbindung und der Zuverlässigkeit sind.

Flächige Fehler lassen sich mit Röntgen nicht nachweisen sondern nur mit dem Ultraschallmikroskop. Bei der ausschließlichen Inspektion mittels Röntgenmikroskopie besteht also die Gefahr, dass diese Fehler nicht wahrgenommen werden. Auch wesentlich größere Flächen lassen sich mit dieser Technik porenfrei miteinander verbinden, wie zum Beispiel DBC-Substrate und Kupferkühler. Jedoch wird ab einer bestimmten zu lötenden Fläche der Einsatz von Vakuum sinnvoll, um Poren aufgrund von Gaseinschlüssen, die bei sehr großen Flächen kaum zu vermeiden sind, wieder zu entfernen. Diese Technologie ist produktionstauglich und wurde auf Produktionsanlagen übertragen und erfolgreich demonstriert.
Zu den beschriebenen Lötverfahren mit Lötpaste und Preforms gibt es auch alternative Techniken. Eine Möglichkeit ist die Ausnutzung des Kapillareffektes zur Erzeugung einer porenfreien Lötverbindung. Dabei wird das Lot an einer Seite des Halbleiterchips in einem Depot angeboten. Während des Lötens schmilzt das Lot und wird durch die Kapillarkräfte veranlasst unter den Chip zu fließen. Dabei treibt das in einer einheitlichen Front voranschreitende Lot Gase vor sich her, so dass auch ohne Vakuum nahezu porenfreie Lötverbindungen erzeugt werden können. In Experimenten wurde gezeigt, dass mit diesem Lötverfahren porenarme Lötungen ohne die Verwendung von Flussmittel und ohne Vakuum erzeugt werden können. Dieses Lötverfahren ist patentiert [Patent DE 102 52 577].