Garantiert zuverlässige Verbindungen: Sintern - das neue Löten

Silber-Sintern ist für die Leistungselektronik eine vielversprechende alternative Verbindungstechnologie zur Löttechnik. Kürzlich hat PINK mit der SIN200+ die erste inline-fähige Sinter-Anlage vorgestellt.

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Sintern statt Löten: Die Presskraft des Sinterstempels passt sich dynamisch an und hat eine Presskraft von bis zu 200 Tonnen. Bilder: PINK

Um den wachsenden Anforderungen in der Leistungselektronik hinsichtlich Lebensdauer, Zuverlässigkeit und thermischer Belastbarkeit zu begegnen, hat PINK eine neue Sinteranlage entwickelt, die technisch auf den etablierten VADU-Lötanlagen von PINK aufsetzt. Bisher produzierte die „PINK GmbH Thermosysteme“ kundenspezifische Anlagen und Systeme für Löttechnik, Trocknungstechnik und Plasmatechnik für die Leistungselektronik.

»Bereits vor zwei Jahren haben wir gemeinsam mit einem Kunden aus der Leistungselektronik die erste Sinter-Anlage entwickelt«, erinnert sich Sebastian Clärding, Applikationsingenieur von PINK. Anfang November wurde die Anlage auf der productronia dann der Öffentlichkeit vorgestellt. Mit dem neuen Produktbereich „Sintertechnik“ als Alternative zur herkömmlichen Löttechnik will PINK die eigene Marktposition weiter ausbauen und reagiert damit auf die stetig wachsenden Anforderungen an Bauelemente für die Leistungselektronik. Was ist das Besondere an der Sinter-Technik? »Durch den Einsatz von Sinteranlagen können Sinterverbindungen erzielt werden, die sich durch besonders zuverlässige, belastbare und hoch temperaturbeständige Kontaktierung auszeichnen«, fasst Clärding zusammen. Lötstellen sind in (Hoch-)leistungsmodulen der limitierende Faktor für die Lebensdauer.

Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Leistungselektronik, z.B. durch neue Anwendungen in der Elektromobilität oder der erneuerbaren Energien. »Dadurch kann es passieren, dass selbst eine perfekte Lötstelle den Anforderungen nicht mehr gerecht wird. Auch durch die neuen Herausforderungen, die die RoHS-Richtlinien mit sich bringen, kommen die Lote an die Grenzen der Temperaturbelastung«, so Clärding. Neue Halbleiter-Materialien wie SiC und GaN, die höhere Schaltungsraten aufweisen, verursachen ebenfalls mehr Wärme. Silber-Sintern löst das Problem insofern, als dass es weitaus temperaturstabilere Verbindungen ermöglicht als die Löttechnik. Lot wird bei ca. 220 bis 250 °C aufgeschmolzen und verarbeitet. Wenn die Lötstelle erkaltet ist, würde diese bei 220 °C wieder aufschmelzen. Es ist deshalb erforderlich, die Temperatur für Bauteile auf maximal 175 °C zu begrenzen.

Beim Sintern hingegen wird nichts aufgeschmolzen, sondern die Silber-Paste ebenfalls bei einer Prozess-Temperatur von 250 °C versintert. »Die Verbindung hat nach dem Erkalten den Schmelzpunkt von Silber: 961 °C. Das heißt ich habe bei einer ähnlichen Verarbeitungstemperatur eine viel höhere Temperatur-Toleranz«, erklärt Clärding. Auch bei hohen Temperaturen wird eine Sinter-Verbindung nicht „schlechter“, eher im Gegenteil. Silber-Sintern hat allerdings auch seinen Preis: Zum einen ist der Materialwert des Silbers höher als der von Lotpaste oder Preforms, zum anderen sind neue Maschinen erforderlich. Entscheidend ist die Presse, die mit dem erforderlichen Druck für die Festigkeit der Verbindung sorgt. Es gibt laut Clärding zwar Sinterpasten, die drucklos funktionieren sollen. Noch erreichen diese laut Clärding aber nicht die Qualität von druckbeaufschlagten Sinterverbindungen.

Flexibles System
 
Mit dem Sintermodul SIN200 und der Sinteranlage SIN200+ hat PINK ein flexibles System auf den Markt gebracht, das vom Labor bis hin zur Serienproduktion in unterschiedlichen Konfigurationen erhältlich ist, da sie modular aufgebaut ist und somit als Batchanlage oder automatisiertes Inline-System mit unterschiedlichen Vorheiz- und/oder Kühlmodulen betrieben werden kann. Die Produkttemperatur, der atmosphärische Druck und die verschiedenen Prozessgase innerhalb der Vakuumkammer/n können jederzeit während des Heizens, Sinterns und Kühlens exakt kontrolliert werden. »Unsere Anlage hat zudem die Fähigkeit, die Oberflächen mit Hilfe von Ameisensäure zu reinigen, um nach dem Sintern die Oxide von Oberflächen wieder zu reduzieren«, beschreibt Clärding. Das ist insbesondere bei Substraten aus Kupfer entscheidend. Oxidieren sie, werden nachfolgende Prozesse unmöglich. Alternativ können die DCBs mit Gold oder Silber beschichtet werden. Das ist allerdings ein Kostenfaktor.

Die Presskraft des Sinterstempels passt sich dynamisch an und hat eine Presskraft von bis zu 200 Tonnen. »Der Druck lässt sich frei einstellen. Das heißt, man kann mit einem leichten Druck anfangen und dann steigern. Wenn der Druck zu steigen oder zu sinken droht, weil sich die Geometrie des Produktes ändert, fährt die Presse automatisch nach, um Druckschwankungen zu kompensieren. Zudem ist das Oberseitenwerkzeug zur Presse austauschbar. Das heißt, auch die Oberseitewerkzeuge des Kunden können mit kleinen Anpassungen integriert werden – ein Feature, das laut Clärding für viele Kunden wichtig ist. Optional ist für die Anlage eine Anbindung vorgelagerter Vorheizmodule und/oder nachgelagerter Kühlmodule möglich, um geringe Taktzeiten zu erzielen. Ebenso kann der Kunde durch Handling- und Transfersysteme seinen Automatisierungsgrad erhöhen. Traceability-Tools wie Kameras zur Rückverfolgbarkeit sind ebenfalls nach Kundenwunsch erweiterbar.