Low-temperature die attach solutions for power components and modules

Abstract

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.