SB_20460NLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Montageprozess für
Sensoren und Aktoren auf
Basis der Niedertemperatur-
Verbindungstechnik

Montageprozess für Sensoren
und Aktoren auf Basis der
Niedertemperatur-
Verbindungstechnik
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.460 N
DVS-Nr.: 10.3101
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,
Institut für Mikrosystemtechnik
Aufbau- und Verbindungstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.460 N / DVS-Nr.: 10.3101 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 508
Bestell-Nr.: 170618
ISBN: 978-3-96870-508-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 17.12.2021
zu IGF-Vorhaben Nr. 20460 N
Thema
Montageprozess für Sensoren und Aktoren auf Basis der Niedertemperatur-Verbindungstechnik
Berichtszeitraum
01.01.2019 bis 30.06.2021
Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Mikrosystemtechnik - IMTEK
Professur für Aufbau- und Verbindungstechnik
Georges-Köhler-Allee 103
79110 Freiburg

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 20460 N
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Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung ......................................................................................................... 3
2 Danksagung ................................................................................................................... 4
3 Erläuterung zur Verwendung der Zuwendung ................................................................ 5
4 Sitzungen des projektbegleitenden Ausschusses ........................................................... 5
5 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Zielstellungen ...................................... 6
5.1 Anlass für das Forschungsvorhaben ....................................................................... 6
5.2 Wissenschaftlich-technische Ziele ........................................................................... 7
5.3 Wirtschaftliche Ziele ................................................................................................ 8
6 Erzielte Forschungsergebnisse ...................................................................................... 9
6.1 Materialien und Prozesstechnik ..............................................................................10
6.1.1 Sinterpasten ....................................................................................................10
6.1.2 Substrate und Bauteile ....................................................................................10
6.1.3 Prozesstechnik ................................................................................................11
6.2 Prozessentwicklung und Verbindungseigenschaften ..............................................12
6.2.1 Versuchsplanung und Analysemethoden ........................................................12
6.2.2 Festigkeit auf verschiedenen Substratmaterialien ...........................................12
6.2.3 Untersuchung der Prozesskinetik durch Widerstandmessung .........................14
6.2.4 Einfluss der Prozessparameter .......................................................................16
6.2.5 Röntgenuntersuchung und Metallographie ......................................................21
6.3 Thermo-mechanischer Stress und FE-Simulation ..................................................25
6.3.1 Optische Verformungsmessung ......................................................................25
6.3.2 FE-Simulation .................................................................................................28
6.4 Anwendung auf Sensor- und Aktorsysteme ............................................................35
6.4.1 CMOS-Dehnungssensoren .............................................................................35
6.4.2 MEMS-Drucksensoren ....................................................................................39
6.4.3 AMR-Sensoren................................................................................................42
6.4.4 SiC-Dioden als Temperatursensor ..................................................................45
6.4.5 Piezokeramischer Aktor ..................................................................................46
6.5 Zuverlässigkeitsuntersuchungen ............................................................................51
6.5.1 Angewendete Methoden .................................................................................51
6.5.2 Ergebnisse ......................................................................................................51
7 Einschätzung der Forschungsergebnisse ......................................................................57
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Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 20460 N
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7.1 Erreichung der wissenschaftlich-technischen Ziele ................................................57
7.2 Erreichung des wirtschaftlichen Nutzens ................................................................57
7.3 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen
des Projektes ....................................................................................................................57
7.4 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...........................................................................60
7.4.1 Ergebnistransfer während der Projektlaufzeit ..................................................60
7.4.2 Geplanter Ergebnistransfer nach Abschluss des Vorhabens ...........................61
7.4.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts...........................................................................................................61
8 Literatur .........................................................................................................................62
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Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 20460 N
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5 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Zielstellungen
5.1 Anlass für das Forschungsvorhaben
Mit dem Silber-Sintern existiert eine in der Leistungselektronik etablierte Verbindungstechnologie,
die für Anwendungen in der Sensorik und Aktorik bisher kaum erforscht ist.
Gegenüber gängigen Fügetechniken wie dem Weichlöten oder Kleben bietet das Silber-
Sintern bei Prozesstemperaturen von 200 bis 350 °C [1] mehrere Vorteile:
Eine metallische Verbindungsschicht mir exzellenter elektrischer und thermischer
Leitfähigkeit wird gebildet.
Es werden signifikant höhere Betriebstemperaturen trotz niedriger Prozesstemperaturen
möglich.
Eine stressarme Fügeverbindung wird geschaffen, welche speziell die Genauigkeit
bei stressempfindlichen MEMS-Beschleunigungs- und Drucksensoren erhöhen kann.
Die Fügeverbindung weist eine hohe thermo-mechanische Belastbarkeit auf, die
insbesondere in Anwendungen mit wechselnden Temperaturbelastungen die
Lebensdauer positiv beeinflusst.
Im Vergleich zu den gängigen Technologien ist Silber-Sintern aus mehreren Gründen zu
bevorzugen. Die Verwendung flexibler Verbindungsschichten, wie z. B. Klebstoffe, kann zwar
den Stress minimieren, Klebstoffe sind in ihrer Einsatztemperatur jedoch begrenzt. Bei
Epoxiden liegt diese bei ca. 150 – 200 °C, bei Polyimiden bei ca. 300 °C. Zudem bieten
Klebungen oft nicht die benötigte mechanische Stabilität und thermische Leitfähigkeit.
Metallische Verbindungstechnik, die diese Leitfähigkeit aufweist, ist entweder nicht
temperaturstabil (Weichlote) oder sie benötigt selbst hohe Prozesstemperaturen (Hartlote).
Die damit verbundene größere Differenz zur Raumtemperatur wirkt sich auch direkt auf den
entstehenden Stress aus.
Die Materialien von Bauteilen und Substraten bei Anwendungen der Sensorik und Aktorik
unterschieden sich in ihren Eigenschaften wesentlich zur Leistungselektronik, wo meist eine
Kombination aus Silizium-Bauelementen auf Kupfer-Keramik-Verbundsubstraten zum Einsatz
kommt. Besonders bei der thermischen Ausdehnung sind, beispielsweise bei rostfreiem Stahl
als Untergrund, größere Unterschiede zum Sensorelement zu erwarten. Darüber hinaus sind
die Variationsmöglichkeiten der Oberflächenmetallisierungen, die für die Haftung der
Sinterschichten eine elementare Rolle spielen, viel größer. Neben galvanischen Schichten und
Dünnfilm-Metallisierungen werden beispielsweise auch Dickfilm-Beschichtungen aus AgPt
oder AgPd, die für keramische Schaltungsträger der Elektronik üblich sind, bei Sensoren
relevant. Dies macht zusätzliche Untersuchungen interessant und wichtig. Bezüglich
Prozesstechnik, Materialkombinationen und Einsatzeignung fehlte für diesen Anwendungsbereich
jedoch bisher das Know-how.
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Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 20460 N
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5.2 Wissenschaftlich-technische Ziele
Ziel dieses Projektes war es einen Silber-Sinter-Prozess für Anwendungen der Sensorik und
Aktorik zu entwickeln und zu untersuchen. Dabei spielen sämtliche Schritte der Prozesskette
eine Rolle. Angefangen bei der Auswahl der Materialien und Sinterpasten, über die Anpassung
der Prozesse und Prozesstechnik, der Analyse der Schichteigenschaften bis hin zur
Anwendung auf industrienahe Beispiele. Dazu wurden die Schwerpunkte der einzelnen
Arbeiten so gelegt, dass ein möglichst breites Spektrum an möglichen Anwendungen
abgedeckt werden kann. Sie sind in Abbildung 1 schematisch dargestellt und umfassten
folgende Bereiche:
Auswahl der Silber-Sinterpasten anhand ihrer benötigten Prozessparameter
Anpassen der Prozesstechnik und systematische Untersuchung der
Prozessparameter
Analyse der relevanten Schichteigenschaften
Bewertung der Zuverlässigkeit der gesinterten Verbindungen
Aufbau und Test von Funktionsmustern
Finite-Elemente-Simulationen für Vorhersagemodelle
Die wesentliche Fragestellung war dabei, die Eignung des Verbindungsprozesses an den
genannten Materialkombinationen zu prüfen. Darüber hinaus sollte die Stabilität der
Verbindungen bei Temperaturen bis über 300 °C gezeigt werden. Damit spielten neben der
Frage der generellen Zuverlässigkeit auch die Grenzen der thermischen Belastbarkeit eine
Rolle.
Zusätzlich sollten anhand industrierelevanter Beispiele aus dem PA die Anwendung der
Sinterprozesse demonstriert werden. Dabei war besonders wichtig, welchen Einfluss die
Verbindungstechnik auf das Sensorverhalten hat und welche Unterschiede sich zwischen den
verwendeten Sinterpasten und im Vergleich zu herkömmlichen Materialien ergeben.
Abbildung 1: Übersicht über die Inhalte der Arbeitspakete des Forschungsprojektes.
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Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 20460 N
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5.3 Wirtschaftliche Ziele
Die erwarteten wirtschaftlichen Vorteile von gesinterten Verbindungen in der Sensorik und
Aktorik beruhen auf zwei Aspekten. Zum einen werden neue Anwendungsfelder erschlossen,
zum anderen lassen sich bei bestehenden Produkten durch einen Wechsel der
Verbindungstechnik die Eigenschaften verbessern.
Von einer Erschließung neuer Anwendungsfelder profitieren nicht nur die Hersteller von
Sensor- oder Aktorsystemen, die ihr Portfolio erweitern können, sondern auch Firmen entlang
der gesamten Wertschöpfungskette. Entsprechend sollen die Ergebnisse auch Materiallieferanten
und Herstellern von Produktionsanalgen helfen.
Die verbesserten Produkteigenschaften ergeben sich aus den Vorteilen von Silber-Sintern zu
anderen Verbindungstechniken und sie umfassen:
Erweiterung des Bereichs der Einsatztemperaturen
Höhere Empfindlichkeit und Genauigkeit sowie geringere Querempfindlichkeit von
Sensoren
Bessere thermische und elektrische Leitfähigkeit
Erhöhte Zuverlässigkeit durch geringeren thermo-mechanischen Stress
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