Characterization of printed copper layers on power chips

Abstract

Recent developments among the semiconductor industry like a trend to replace conventional silicon semiconductors with wide bandgap materials such as silicon carbide but also new fields of application call for new interconnecting technologies with adapted properties.Especially in the field of power semiconductors conventional interconnecting technologies like lead-based solders are limiting the exploitation of the full potential of the new materials due to their low operating temperature. Sintered porous copper interconnects can operate at much higher temperatures, come with outstanding performance in terms of electrical and thermal conductivity. A possible way of realizing such porous interconnects is by sintering of printed sinter pastes.During this work first samples of sintered porous copper layers were investigated with classical powder metallurgical techniques like scanning electron microscopy SEM and helium pycnometry. A special focus was thereby given to the microstructure and porosity. The topography of the layer was further analysed with light optical microscopy via “z-stacking” and finally the elemental composition investigated by energy dispersive x-ray EDX analysis as well as infrared spectroscopy.Based on the results found, a good first impression about the nature of the layer as well as its porosity, pore size distribution and elemental composition was gained. By comparison of different production parameters it was possible to investigate the influence of pressure sintering to the porosity and microstructure.As this thesis is part of an ongoing developing process, a final assessment is not possible yet. The results found however will be implemented in the production process to eliminate existing problems and further improve the product.

Aktuelle Entwicklungen in der Halbleiter Industrie wie der Trend konventionelle Silizium Halbleiter mit „wide bandgap“ Materialien wie Siliziumcarbid zu ersetzen aber auch sich ändernde Einsatzbereiche benötigen neue Verbindungstechnologien mit angepassten Eigenschaften. Speziell im Bereich der Leistungshalbleiter gängige Verbindungstechnologien wie Blei basierte Lote limitieren diese neuen Bauteile wegen ihrer niedrigen möglichen Einsatztemperaturen. Gesinterte poröse Kupfer Schichten können bei deutlich höheren Temperaturen eingesetzt werden und zeichnen sich durch exzellente thermische und elektrische Leitfähigkeiten aus. Eine mögliche Form der Realisierung solcher Schichten ist das Sintern von gedruckten Sinterpasten.Im Zuge dieser Arbeit konnten erste Proben mit gesinterten porösen Kupferschichten mit Methoden der klassischen Pulvermetallurgie wie Rasterelektronenmikroskopie REM oder Helium Pyknometrie. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Mikrostruktur und Porosität gelegt. Die Topographie wurde in weiterer Folge mit optischer Lichtmikroskopie durch „z-stacking“ untersucht und schlussendlich die elementare Zusammensetzung durch energiedispersive Röntgenanalyse EDX und Infrarotspektroskopie aufgeklärt. Basierend auf den erhaltenen Ergebnissen konnte ein guter erster Eindruck über die Beschaffenheit der Schicht wie auch über deren Porosität, Porengrößenverteilung und elementarer Zusammensetzung gewonnen werden. Durch einen Vergleich von unterschiedlichen Produktionsparametern konnte der Einfluss von Drucksintern auf die Porosität und Mikrostruktur untersucht werden. Da die vorliegende Arbeit Teil eines Entwicklungsprozesses ist, ist eine abschließende Beurteilung zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht möglich. Die Ergebnisse werden in den Produktionsprozess eingebunden um vorhandene Probleme zu eliminieren und das Verfahren weiter zu optimieren.