Packaging for Electronics

Silver sintering

  • Pressureless and pressure assisted (up to 75kN) process for small and large areas
  • Single and double sided semiconductor devices
  • Multichip power modules using pre attaching
  • Selective sintering on populated circuit boards
  • Sintering of active and passive components
  • Sintering on DCB, PCB, and leadframe
  • Screening of different sinter material

Soldering

  • Standard lead free tin based and high temperature alloys
  • Void free soldering with paste and preform material

Wire bonding

Research fields 

 

  • New materials for bond wires like copper, composites, or alloys
  • Improvement of application’s lifetime by bonding parameters, geometry, material, and others
  • Metalization and surface optimization of semiconductors for best bondability
  • Cleaning process to achieve a reliable bond connection
  • In combination with power cycling tests a correlation between bonding parameters to lifetime is possible

 

Our services

 

  • Aluminum and copper wedge-wedge-bonding with diameters from 100μm to 500μm possible
  • Ribbon bonding
  • Gold ball-wedge bonding with diameters from 25μm to 75μm possible
  • Heatable work holder for bond process under temperature for up to 200°C
  • Quality assurance through pull and shear tests
  • Control of reliability and lifetime by active power cycling test, passive temperature cycling and vibration tests
  • Design of experiments to find best suited bonding parameters

 

Functional principle

 

  • Ultrasonic bonding works with high-frequency acoustic vibrations under pressure and creates a solid-state welding
  • For aluminum wedge-wedge-wire bonding ultrasonic energy is applied to the wire for a specific duration while being held down by a bond force
  • Thermosonic gold bonding includes heat treatment and can be used to form solid-state bonds below the melting point of the mating metals
  • For ball-wedge-bonding, a gold ball is formed before the bonding process by melting the end of the wire via high voltage

 

Devices and packaging

 

  • Power Electronic Modules
  • Single Semiconductors
  • Si, SiC and GaN devices
  • Surfaces providing best weld solutions: Aluminum, copper, gold and silver

 

Bonding machine features

 

  • Semi-automatic bonding process
  • Programmable bond layouts
  • Deformation limit control
  • Image recognition of semiconductors and substrates
  • Large area modules as well as small micro electronic devices bondable
  • Fast switching of bond heads and pull/shear heads
© Fraunhofer IISB
Gold wire (25µm)
© Fraunhofer IISB
Copper wire (250µm)
© Fraunhofer IISB
Aluminum wire (125µm)

Prototyping

  • Material selection including housing and potting
  • procurement of material
  • Small-scale production
© Fraunhofer IISB
Head spreading and CTE matching by graphite
© Fraunhofer IISB
Double sided cooled sintered power module
© Fraunhofer IISB
Double sided silver sintering of power semiconductors

Testing

  • Static thermal measurements from chip to coolant
  • Dynamic thermal measurements
  • Static electrical characterization
  • Dynamic switching characterization
  • Scanning acoustig microscopy
  • Shear, pull, peel test
  • Active Power Cycling
  • Passive Temperature Cycling

Equipment

  • Multi-physics simulation tools (electro-thermo-mechanical), CAD
  • Plasma cleaning
  • Printer for paste material
  • Vapor-phase vacuum soldering
  • Formic-acid-activated IR vacuum reflow
  • Hydrogen activated IR vacuum reflow
  • Full automatic die placer with high temperature and extended tool force capability
  • Automatic wire and ribbon bonders (Al, Cu, Au)
  • Servo press for sintering
  • Ultrasonic and resistance welding machines for electric terminals
© Fraunhofer IISB
Cross section of a silver sintered bond line
© Fraunhoer IISB
Cross section of an aluminium-zink bond line
© Fraunhofer IISB
Cross section of a gold-germanium bond line

Der Einsatz von Leistungselektronik in zukunftsorientierten Anwendungsgebieten – beispielsweise Elektromobilität oder Luft- und Raumfahrt – führt zu hohen Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Module. Gängige Aufbauverfahren stoßen hier oft an ihre Grenzen. Daher beschäftigen sich die Wissenschaftler am IISB mit der Erforschung und Realisierung eines neuen Aufbaukonzepts, das auf der Einbettung von Bauelementen in keramische Schaltungsträger, wie beispielsweise Direct-Copper-Bonded (DCB)-Substrate, basiert. Bei dem neuen Verfahren werden die Leistungshalbleiter in speziell vorbereitete Substrate eingebracht und mit einem Vergussmaterial umschlossen. Das Bild zeigt ein auf diese Weise hergestelltes Leistungsmodul.

Der Trend zur Miniaturisierung und dreidimensionalen Integration führt Leistungsbauelemente und -module an ihre Grenzen, insbesondere im Hinblick auf Temperaturbeständigkeit und hohe Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzeitig langer Lebensdauer. Die Anwendbarkeit von etablierten Aufbaukonzepten auf der Basis von PCBs (Printed Circuit Boards) und LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) ist limitiert, beispielsweise hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und Stromtragfähigkeit. Abhilfe schafft hier ein neuartiges Aufbaukonzept, das auf der Einbettung der Bauelemente in einen keramischen Schaltungsträger beruht.


Bei dieser als DCB Embedding bezeichneten Technologie werden die Leistungshalbleiter (zum Beispiel Wide-Bandgap-Bauelemente) mit Hilfe einer geeigneten Aufbau- und Verbindungstechnik (Löten oder Sintern) in speziell vorbereitete DCB-Substrate eingebracht und dann mit einem hochtemperaturbeständigen Vergussmaterial umschlossen. Am IISB arbeiten die Forscher jedoch bereits an der Entwicklung von Verfahren zur hermetischen Verkapslung der eingebetteten Bauelemente, wodurch sich der Einsatz der Vergussmaterialien erübrigen wird.

Eine hohe Strombelastbarkeit wird durch die hohen realisierbaren Kupferschichtdicken ermöglicht. Als Isolationsmaterial können verschiedene keramische Werkstoffe eingesetzt werden. Die Auswahl des geeigneten Materials erfolgt dabei im Hinblick auf die Optimierung von Hochtemperaturbeständigkeit, Wärmemanagement und mechanischen Eigenschaften. Zur Erstellung der elektrischen Verbindungen werden integrierte Vias (Durchkontaktierungen) eingesetzt. Diese werden mit einem Laser gebohrt und mit Silbersinterpaste oder einem anderen metallischen Material gefüllt. Zusätzliche Vias ermöglichen die Herstellung von Mehrschicht-DCB-Stapeln, welche besonders für niederinduktive Anwendungen von Vorteil sind.

Auch in den kommenden Jahren werden sich die Wissenschaftler am IISB weiterhin intensiv der Entwicklung der DCB-Embedding-Technologie widmen, um das volle Potenzial der Wide-Bandgap-Bauelemente für Anwendungen in der Leistungselektronik ausschöpfen zu können.

 

Packaging
For Electronics

[ PDF  0.22 MB ]

 

Wire Bonding

[ PDF 0.22 MB ]

 

CTE Management - Graphite Material for Power Modules

[ PDF  0.22 MB ]

 

Full SiC Double Sided Busbar Module

[ PDF  0.45 MB ]