Matalan lämpötilan sirukiinnitysratkaisut tehokomponenteille ja tehomoduuleille

Recently, power electronics have become increasingly important due to their use in reducing energy losses and converting renewable energy into more easily transferred form. Additionally, power electronics have become more miniaturized and their packaging has become more demanding. At the same time, high-lead solders, reliable die attach materials, are being phased out due to lead’s toxicity. Therefore, new materials for packaging and die attach of power devices must be found. The aim of this thesis was to evaluate the feasibility of using solid-liquid interdiffusion (SLID) bonding as a die attach method for power components and modules. SLID samples were made using the Cu-Sn-In system and varied manufacturing parameters, including substrate, bonding time and bonding temperature. As comparison, soldering was also performed with SAC solder paste, which is the most commonly used die attach. Additionally, some samples were subjected to a thermal shock test. The microstructure of the samples was characterized using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, while the mechanical properties of samples were characterized with tensile tests and nanoindentation. The main findings of the thesis are the following. First, the SLID bonds have a high strength, which agrees with previous studies. Additionally, when substrate and chip have a large coefficient of thermal expansion (CTE) difference, the SLID bond is weakened noticeably in thermal shock test, but strength is still above requirements. However, achieving large bond area was challenging due to uneven bond force. Furthermore, nanoindentation tests showed that the intermetallic compound formed in the SLID bonding, Cu6(Sn,In)5, has hardness, stiffness, and brittleness slightly higher than, however, comparable to Cu6Sn5. They are also much higher than solders’. This can have positive and negative effects on die attach reliability. The thesis has shown that the SLID interconnections were mechanically and thermally reliable, despite the challenges in achieving a large bonded area. SLID bonding has desirable properties in regards to die attach in power components and modules. One promising application could be the die attach of wide bandgap (WBG) semiconductors, for example in automotive applications. WBG semiconductors have less CTE mismatch with common die attach substrates, thus lessening stresses caused by the stiffness of the interconnect. Therefore, the reliability of die attach of WBG semiconductors using SLID should be studied.Tehoelektroniikan merkitys on kasvanut viime aikoina johtuen sen käytöstä häviöiden pienentämisessä ja uusiutuvien energian muuntamisessa helpommin siirrettävään muotoon. Tehoelektroniikan miniaturisaatio on myös edistynyt ja koteloinnista on tullut aiempaa haastavampaa. Samalla luotettavaksi todetun korkean lyijypitoisuuden juotteiden käyttöä on vähennetty lyijyn myrkyllisyyden vuoksi. Siksi uusia materiaaleja tehoelektroniikan kotelointiin ja sirukiinnitykseen tarvitaan. Tämän diplomityön tavoitteena oli arvioida mahdollisuutta käyttää sula-avusteista diffuusioliittämistä (eng. solid-liquid interdiffusion, SLID) tehokomponenttien ja tehomoduulien sirukiinnityksessä. SLID näytteet valmistettiin käyttäen Cu-Sn-In metallurgiaa ja erilaisia valmistusparametreja, joihin kuuluivat erilaiset substraatit, liittämisaika ja -lämpötila. Vertailuksi valmistettiin myös näytteitä käyttämällä SAC juotospastaa, joka on käytetyin sirukiinnitysmenetelmä. Lisäksi joukolle näytteitä tehtiin lämpösokkitesti. Näytteiden mikrorakenne määriteltiin elektronimikroskoopilla ja energiadispersiivisellä röntgenanalyysilla. Näytteiden mekaaniset ominaisuudet määriteltiin vetotesteillä ja nanoindentaatiolla. Diplomityön päälöydökset ovat seuraavat. SLID-liitokset ovat vahvoja, joka vastaa aiempaa tietoa. Lisäksi, kun ero substraatin ja sirun lämpölaajenemiskertoimissa on suuri, SLID-liitoksen vahvuus heikkeni huomattavasti lämpösokkitestissä, mutta ei kriittisesti, sillä se silti täytti sirukiinnityksen vaatimukset. Työn aikana oli haasteita luoda suuren pinta-alan liitoksia johtuen epätasaisesta liittämisvoimasta. Lisäksi nanoindentaatio näytti, että SLID-liitännässä syntyvän yhdisteen, Cu6(Sn,In)5:n, kovuus, jäykkyys ja hauraus ovat verrattavia Cu6Sn5:een, mutta hieman korkeampia. Juotteisiin verrattuina arvot ovat paljon suurempia. Tällä voi olla positiivisia ja negatiivisia vaikutuksia sirukiinnityksen luotettavuuteen. Diplomityö näyttää, että SLID-liitokset ovat mekaanisesti ja termisesti luotettavia, vaikka suuren pinta-alan liitosten luomisessa oli haasteita. SLID-liitännällä on hyödyllisiä ominaisuuksia tehokomponenttien ja -moduulien sirukiinnitykseen. Yksi lupaava sovelluskohde voisi olla leveän kielletyn energiavyön (eng. wide bandgap, WBG) puolijohteet. Yksi käyttökohde olisi esimerkiksi autojen tehoelektroniikka. WBG puolijohteilla on pienempi lämpölaajenemiskerroinero yleisten substraattien kanssa, joka vähentää liitännän jäykkyyden aiheuttamia jännitteitä. Näin ollen WBG puolijohteiden sirukiinnitystä käyttäen SLID:iä pitäisi tutkia

Low-temperature die attach for power components: Cu-Sn-In solid-liquid interdiffusion bonding

Funding Information: This work has been funded by iRel40. iRel40 is a European co-funded innovation project that has been granted by the ECSEL Joint Undertaking (JU) under grant agreement No 876659. The funding of the project comes from the Horizon 2020 research programme and participating countries. National funding is provided by Germany, Austria, Belgium, Finland (Innovation Funding Agency, Business Finland), France, Italy, the Netherlands, Slovakia, Spain, Sweden, and Turkey. Publisher Copyright: © 2022 IEEE. | openaire: EC/HE/876659/EU//iRel40Based on the finite element (FE) simulations done in this work, lowering the bonding temperature significantly decreases the bonding induced residual stresses. Therefore, low temperature Cu-Sn-In SLID process was utilized to bond Si to Si and Si to sapphire under various bonding conditions. The microstructural evolution and the (thermo-) mechanical properties of the joints were studied. The results showed that the Cu-Sn-In SLID bonds composed of a single Cu6(Sn, In)5 IMC phase with high joint strength. Furthermore, the hardness and Young's modulus of Cu6(Sn, In)5 formed in the SLID bonding were measured to be slightly higher than that of binary Cu6Sn5.Peer reviewe

Demonstrating 170°C Low Temperature Cu-In-Sn wafer level Solid Liquid Interdiffusion Bonding

| openaire: EC/H2020/826588/EU//APPLAUSEThe wafer-level Solid Liquid Interdiffusion (SLID) bonds carried out for this work take advantage of the Cu-In-Sn ternary system to achieve low temperature interconnections. The 100mm Si wafers had μ-bumps from 250μm down to 10μm fabricated by consecutive electrochemical deposition of Cu, Sn and In layers. The optimized wafer-level bonding processes were carried out by EV Group and Aalto University across a range of temperatures from 250°C down to 170°C. Even though some process quality related challenges were observed, it could be verified that high strength bonds with low defect content can be achieved even at a low bonding temperature of 170°C with an acceptable 1-hour wafer-level bonding duration. The microstructural analysis revealed that the bonding temperature significantly impacts the obtained phase structure as well as the number of defects. A higher (250°C) bonding temperature led to the formation of Cu3Sn phase in addition to Cu6(Sn,In)5 and resulted in several voids at Cu3Sn|Cu interface. On the other hand, with lower (200°C and 170°C) bonding temperatures the interconnection microstructure was composed purely of void free Cu6(Sn,In)5. The mechanical testing results revealed the clear impact of bonding quality on the interconnection strength.Peer reviewe