Hintergrund

Das Fügeverfahren Transient-Liquid-Phase-Bonding (TLP-Bonding) kommt aus dem Bereich der metallischen Niedertemperaturverbindungstechnik und kombiniert die positiven Eigenschaften von metallischen Verbindungen, wie mechanische Stabilität und Leitfähigkeit, mit dem Vorteil niedriger Prozesstemperaturen. Dies ist möglich, da im Prozess durch Diffusion aus einer niedrig- und einer hochschmelzenden Phase eine temperaturbeständige intermetallische Phase entsteht. In der Kombination Silber (Ag) und Zinn (Sn) kann so beispielsweise bei einer Prozesstemperatur von 250 °C eine Verbindung erzeugt werden, die bis über 400 °C stabil ist. Gegenüber anderen temperaturstabilen Verfahren, wie eutektischem Bonden, AuSn-Löten oder Glaslöten, sind die TLP-Verfahren im Vorteil, da die Differenz zur Raumtemperatur nach dem Prozess und damit auch der thermo-mechanische Stress geringer sind.

Im IGF-Projekt 18476 N wurde dieses Verfahren mit dem binären AgSn-System von Hahn-Schickard und IMTEK bereits grundlegend erarbeitet. Dabei zeigten sich allerdings folgende Defizite:

• Die Verbindungen weisen bei Raumtemperatur kaum Plastizität und eine hohe Steifigkeit auf. Durch den Temperaturunterschied von Prozess- und Raumtemperatur bauen sich starke Restspannungen auf, die zu Rissbildung oder zum Ausfall führen können.
• Prozesstemperaturen von deutlich über 200°C sind für viele Materialien (z.B. Harze in Leiterplatten, Kunststoffe in Bauteilen) zu hoch und führen zu Degradation oder Zerstörung. 

Um diesen Defiziten entgegenzuwirken, ist eine deutliche Absenkung der Prozesstemperatur erforderlich. InSn weist in der eutektischen Zusammensetzung einen Schmelzpunkt von 117°C auf und eignet sich damit auch dazu, bei Temperaturen <150 °C die im Prozess benötigte flüssige Phase zu erzeugen. Gleichzeitig handelt es sich hierbei um Metalle, die für Anwendungen in Lotprozessen bereits bekannt sind.

Voruntersuchungen haben gezeigt, dass sich in einem Fügeprozess gemeinsam mit Ag auch die hochschmelzenden binären Phasen Ag3Sn, Ag4Sn, und Ag3In bilden. Damit lässt sich mit solch einem ternären System ein Prozess entwickeln, der bei einer sehr niedrigen Bondtemperatur folgende Vorteile aufweist:

• Niedrige thermo-mechanische Belastung bei Raumtemperatur aufgrund des reduzierten ΔT beim Abkühlen nach dem Prozess
• Temperaturstabilität über die Prozesstemperatur hinaus
• Stabile, stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern
• Gute thermische und elektrische Leitfähigkeit
• Energieeinsparung durch geringere Prozesstemperatur

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21868 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.