Kupfer-Si₃N₄-Verbunde als Schaltungsträger für Leistungselektronik

Strukturierte Metall-Keramik-Substrate stellen als Schaltungsträger eine wichtige Komponente für leistungselektronische Baugruppen dar. Bestehende Lösungen, wie direkt gebondete Kupfer-Aluminiumoxid- (DBC, direct bonded copper) oder aktiv gelötete Kupfer-Aluminiumnitrid- Verbunde (AMB, active metal brazing) werden Anforderungen der Elektromobilität sowie dem Potenzial neuer auf Siliciumcarbid (SiC)-basierender Halbleiterbauelemente nicht mehr gerecht. Mit SiC steigen die Anforderungen an die Substrate für die Montage der Halbleiter und die Kühlung der Schaltkreise. Eine Lösung versprechen Verbunde mit Siliciumnitrid-Keramiken (Si₃N₄) mit ihren überragenden mechanischen Eigenschaften. Damit werden Metall-Keramik-Substrate möglich, die in leistungselektronischen Baugruppen eine deutlich verbesserte Stabilität gegenüber aktiven und passiven Thermozyklen aufweisen.

Im Verbundvorhaben CuSiN entwickelte das Fraunhofer IKTS gemeinsam mit Partnern zuverlässige und leistungsfähige Kupfer-Siliciumnitrid-Verbunde (Cu-Si₃N₄) über das Aktivlöten. Keramische Si₃N₄- Substrate mit Dicken < 320 μm, hergestellt mittels Vieldrahtsägen gesinterter Si₃N₄-Blöcke, weisen bereits heute Wärmeleitfähigkeiten > 90–100 W m^-1K^-1 und Festigkeiten > 700 MPa auf. Die Basis hierfür bilden besonders sauerstoffarme Si₃N₄-Pulver in Verbindung mit aluminiumfreien Additiven. Neu ist auch die Möglichkeit, kompakte Si₃N₄-Presskörper mit Dimensionen bis zu 5,5 x 7,5 Zoll zu homogenen und hochwertigen Gefügen versintern zu können.

Für das stoffschlüssige Fügen von Kupferfolien gegen Si₃N₄-Substrate über das Aktivlöten sind neue, für den automatisierten Siebdruck taugliche Aktivlotpasten erforderlich. Neben guten Verbundfestigkeiten (derzeit bis 25 N pro mm-Kupferbreite) sind möglichst porenarme Fügezonen für eine hohe Zuverlässigkeit der Verbunde zu realisieren. Erreicht wird dies durch neuartige Pasten mit homogen verteilten, minimalen Anteilen an Aktivphasen für Lotschichten von weniger als 25 μm. Zudem ist eine zuverlässige Entfernung organischer Binderkomponenten aus gedruckten Lotschichten in flächigen Cu-Si₃N₄-Anordnungen im Ultrahochvakuum unterhalb von 380 °C möglich.

Als aktive Komponente wird häufig Titan verwendet. Je nach Fügetemperatur stellt die Matrixphase des Aktivlotes selbst eine Mischung aus Kupfer und Silber dar, bei niedrigeren Fügetemperaturen werden den Loten Indium oder Zinn zugesetzt. Beim Fügeprozess bildet Titan im Kontakt mit Si₃N₄ eine dünne Verbindungsschicht aus. Zudem können sich Titansilizide mit sprödharten Eigenschaften an der Grenzfläche ausbilden und zu einer Schwächung der Verbundfestigkeiten führen. Erstmalig wurden am IKTS Untersuchungen zu mechanischen Eigenschaften aktivgelöteter Kupfer-Si₃N₄-Verbunde auf mikroskopischem Niveau mittels einer Mikrometer-Cantilever-Ausstattung in einem Elektronenmikroskop durchgeführt. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass sich eine moderate Bildung von Titansiliziden nicht nachteilig auf die Verbundeigenschaften auswirkt. Eine gezielte Einstellung des Gefüges in der eigenschaftsbestimmenden Fügezone zwischen Aktivlot und Si₃N₄-Keramik gelingt durch eine optimierte Pastenrezeptur und angepasste Lötprofile unter Berücksichtigung des individuellen Verhaltens der Si₃N₄-Keramik im Fügeprozess.

Die Charakterisierung aktivgelöteter Cu-Si₃N₄-Verbunde hinsichtlich des Teilentladungsverhaltens stellt für Metall- Keramik-Verbunde generell ein neues Thema dar. Die Teilentladungsmessung ist ein zerstörungsfreies Messverfahren, um Defekte in Dielektrika zu detektieren. Mit eigens dafür angepassten Messaufbauten und Analysemethoden konnten Teilentladungsprozesse mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst und über eine Korrelation mit Werkstoff- bzw. Verbundeigenschaften ein Verständnis für diese Effekte geschaffen werden.

Die im Rahmen von CuSiN gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen als Leistungsangebot die Entwicklung von Si₃N₄-Keramiken, Aktivlotpasten und Aktivlötprozessen sowie die materialwissenschaftliche und elektrische Charakterisierung von Kupfer-Keramik-Substraten.