Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Silbersintern auf 3D-Keramiksubstraten für Elektronik in Hochtemperaturanwendungen

Räumliche Schaltungsträger in herkömmlicher MID-Technik bieten einen hohen Grad an Gestaltungsfreiheit sowie Rationalisierungs- und Miniaturisierungspotential. Es lassen sich Material- und Kosteneinsparungen realisieren. Der Einsatz von räumlichen Schaltungsträgern in harscher Umgebung ist bisher nur eingeschränkt möglich. Die Potentiale räumlicher Baugruppen können durch die Einsatztemperatur herkömmlicher Substratmaterialien und Lote nicht im Bereich der Hochtemperatur-Anwendungen genutzt werden. Diese Einschränkung soll durch die Kombination von räumlichen keramischen Schaltungsträgern mit der Silbersinterverbindungstechnik aufgehoben werden. Silbersintermaterialien stellen eine innovative Fügetechnologie mit hoher Temperaturstabilität dar.

Die Herausforderung besteht darin eine feste Fügeverbindung zwischen Keramik u. Leiterbahn sowie via Silbersintermaterial zwischen Anschlussflächen u. Bauelement herzustellen. Es gilt die Materialien und Prozesse der additiven Fertigung von Leiterstrukturen auf räumlichen Keramiken im Plasmadust®-Verfahren und die Silbersintertechnologie aufeinander abzustimmen. Silbersintermaterialien werden bisher auf planaren Substraten verwendet. Die Materialien der additiven Fertigung von Anschlussflächen wurden noch nicht hinreichend für die Silbersintertechnologie erprobt.

Im Vorh. werden Leiterbahnen und Anbindeflächen auf keramischen Körpern im Plasmadust®-Verfahren realisiert und charakterisiert. Danach erfolgt das Fügen des Bauelementes mit Silbersintertechnik.Die Charakterisierung der Fügeverbindungen soll mittels Computertomographie sowie mittels Metallographie erfolgen. Die Zuverlässigkeit wird in beschleunigten Umwelttests analysiert. Das Sintern auf additiv hergestellten Anschlussflächen hebt sich von planbaren Anwendungen ab u. erfordert abgestimmte Materialien und Prozesse.

Die Ergebnisse ermöglichen KMU innovative u. effiziente Produktgestaltung für hohe Umgebungstemperaturen in Automobil- u. in Industrieanwendungen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojekts AgOn3D wurde untersucht inwiefern sich plasmabasierte Beschichtungsverfahren und drucklose Sintertechnologie zum Aufbau räumlicher Schaltungsträger für Hochtemperaturanwendungen eignen.

Die wesentlich technisch-physikalische Zielsetzung des Projekts bestand zunächst darin Prozessparameter zu identifizieren um ein stabiles Interface zwischen Cu-Beschichtung und Al2O3 Keramik zu generieren. Die erzeugten Strukturen wurden dann hinsichtlich elektrischer und mechanischer Eigenschaften charakterisiert und die Parameter optimiert. Auf Basis dieser Untersuchungen wurden verschiedene Verfahren zur Strukturierung untersucht um durch selektive Metallisierung Adaption auf räumliche keramische Schaltungsträger zu ermöglichen.

Parallel erfolgte die Qualifizierung von Ag-Sinterpasten welche drucklos verarbeitet werden können. Neben der Ermittlung der mechanischen Kennwerte und Analyse der Gefüge wurde ein Benchmark zu Aufbauten mit Standard-DCBs durchgeführt.

Im Laufe des Projektes konnte sowohl eine stabile Anbindung der Cu-Metallisierung auf der Keramik als auch ein akzeptables Interface zwischen Leistungshalbleiter und Cu-Beschichtung mittels des Sinterverfahrens hergestellt werden. Die Kennwerte, speziell die Haftfestigkeit, erfordern jedoch weitere Optimierungen der Ag-Sinterpaste. Für eine erfolgreiche Adaption der Beschichtung auf räumliche Substrate wird weiterhin eine alternative Maskierung benötigt, da die verwendeten Polyimidfolien während der Beschichtung thermisch degradieren.

Das beschriebene Verfahren zeigt somit Potential für elektronische und leistungselektronische Anwendungen sowohl in der Schaffung von funktionalen Flächen als auch Leiterbahnen mit erhöhter Stromtragfähigkeit und eine effiziente Anbindung von Bauelementen für räumliche Schaltungsträger.