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Während Marktkräfte die Entwicklung von Leistungshalbleitern mit hoher Leistungsdichte, reduzierten Verlusten und erhöhter Effizienz vorantreiben, gehen neue Technologiegenerationen in Richtung ultradünner Chips und reduzierter Gehäusedimensionen, die erhöhte Kühlungsanforderungen stellen. Kupfer profitiert als Wärmesenke sowie als Drahtbond- und Gehäusematerial von seinen überragenden thermischen Eigenschaften, allerdings werden thermisch induzierte Wafer-Verkrümmungen am Silizium-Kupfer-Interface zunehmend kritisch, besonders für ultradünne Bauteile mit hoher Kupferdicke.Diese industrielle Dissertation im Bereich Materialwissenschaften, Pulvermetallurgieund Halbleitertechnologie untersucht daher mittels Schablonendruck abgeschiedene Kupfer-Sinterpasten als Alternative zu herkömmlichen Wärmesenken- und Verbindungsmaterialien. Die Arbeit unterteilt sich in drei Teile. Erstens beschreiben wir den Schablonendruck als schnelles und kosteneffizientes Verfahren zur Abscheidungdicker, strukturierter Kupferschichten. Wir finden einen optimierten Prozess für druckloses Sintern von Kupfer-Sinterpasten und legen die Basis für eine zukünftigeHochskalierung des Einzelwafer-Prozesses, indem wir die Übertragbarkeit auf einen Kammerofen demonstrieren. Zweitens vertiefen wir im Hauptteil dieser Arbeit unser Verständnis drucklos gesinterter Kupfer-Sinterpaste dreier Materialien über eine Prozesstemperatur bis zu 400 °C und eine Prozesszeit bis zu 180 min. Wir führen eine systematische Untersuchung der mikrostrukturellen Eigenschaften durch undfinden eine Korrelation zwischen der Porenmorphologie, der Kornstruktur und dem elektrischen Widerstand des jeweiligen Materials. Drittens beschließen wir diese Arbeit, indem wir vielversprechende Anwendungsfälle von mittels Schablonendruck abgeschiedenen Kupfer-Sinterpasten als IGBT-Wärmesenken sowie für hochfeste Reinkupfer-Chip-zu-Substrat- sowie Chip-zu-Chip-Verbindungen hervorheben. As market forces are pushing for higher power densities, loss reduction and improved efficiency in power semiconductor technology, ultra-thin dies and smaller packages face increasing cooling challenges. Copper as a material for heat sink applications, wire bonding and packaging is showing excellent thermal properties, however, wafer curvature issues induced by thermal stresses at the silicon-to-copper interface are becoming more critical, especially for ultra-thin dies with increasing copper thickness. This industrial Doctoral Thesis in the field of material science, powder metallurgy and semiconductor technology thus investigates stencil-printed copper sinter pastes as an alternative to conventional heat sink and interconnect materials. The work is separated into three parts. Firstly, we show that stencil printing of copper sinter pastes is a fast and cost-efficient approach for depositing thick structured metal layers. We find an optimized process for pressure-less sintering of copper sinter pastes and lay the ground work for future upscaling of the single-wafer process by demonstrating its transferability to a batch-furnace. Secondly, we deepen ourunderstanding of pressureless-sintered copper sinter pastes by monitoring three different materials over process temperatures up to 400 °C and holding times up to 180 min. We perform a systematic investigation of the materials’ structural and microstructural properties and relate pore morphology and grain structure of the pastes to their respective electrical resistivity. Thirdly, we conclude this work by highlighting promising use cases for the application of stencil-printed copper sinter pastes for IGBT heat sink applications as well as for high-strength pure-copper chip-to-substrate and chip-to-chip interconnects. Barbara Eichinger Zusammenfassungen in Deutsch und Englisch Dissertation Karl-Franzens-Universität Graz 2020 2.1966 |
