Silver Sintering on Copper Surfaces – Interfacial Phenomena Governing Bond Strength and Reliability

The growing demand for efficient and reliable power electronic modules in renewable energy and electric vehicle applications requires the use of wide bandgap semiconductors, which lead to higher operating temperatures. Consequently, new materials and interconnection technologies are needed to withstand elevated temperatures and thermomechanical stresses. Silver sintering has emerged as a promising solution due to its excellent thermal and electrical properties. However, achieving robust adhesion on cost-effective bare copper substrates remains challenging because of low interdiffusion rates, oxide formation, and surface morphology effects. This work systematically investigates the influence of copper surface characteristics and silver paste properties on the bond strength and reliability of silver-sintered joints. Four key factors were analyzed: chemical surface state, surface roughness and topography, copper microstructure (grain size and orientation), and fatigue behavior of metal-ceramic substrates under thermal cycling and its effects on joint reliability. Advanced characterization techniques such as XPS, CLSM, EBSD, SEM, and EDS were employed, alongside die shear tests and reliability assessments. The results reveal that thin CuO layers significantly enhance adhesion, while excessive oxidation reduces bond strength unless high sintering parameters are applied. It is critical to ensure that surface roughness matches the silver particle size of the sinter paste; surfaces with higher roughness, without mechanical treatment, appear particularly advantageous. Copper grain orientation strongly affects silver adhesion, with <100> and <101> orientations preferred due to favorable crystallographic properties. Fine-grained copper substrates exhibit superior fatigue resistance, reducing degradation of silver joints during thermal cycling. In conclusion, tailoring copper surface chemistry, roughness, and microstructure, combined with optimized sintering conditions, markedly improves bond strength and reliability. These findings provide fundamental insights for designing durable interconnects in high-performance power modules, supporting the transition to climate-friendly technologies.

Der wachsende Bedarf an effizienten und zuverlässigen Leistungselektronikmodulen in Anwendungen wie erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeugen erfordert den Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleitern, die zu höheren Betriebstemperaturen führen. Folglich sind neue Materialien und Verbindungstechnologien notwendig, um erhöhte Temperaturen und thermomechanische Belastungen zu bewältigen. Das Silbersintern hat sich aufgrund seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften als vielversprechende Lösung etabliert. Die Realisierung einer robusten Haftung auf kostengünstigen Kupfersubstraten bleibt jedoch eine Herausforderung, bedingt durch geringe Interdiffusionsraten, Oxidbildung und Oberflächenmorphologie. Diese Arbeit untersucht systematisch den Einfluss der Kupferoberflächencharakteristik und der Eigenschaften der Silberpaste auf die Haftfestigkeit und Zuverlässigkeit von silbergesinterten Verbindungen. Vier Schlüsselfaktoren wurden analysiert: chemischer Oberflächenzustand, Oberflächenrauheit und Topografie, Mikrostruktur des Kupfers (Korngröße und -orientierung) sowie das Ermüdungsverhalten von Metall-Keramik-Substraten unter thermischem Zyklieren und dessen Auswirkungen auf die Verbindungszuverlässigkeit. Für die Charakterisierung kamen Methoden wie XPS, CLSM, EBSD, SEM und EDS zum Einsatz, ergänzt durch Schertests und Zuverlässigkeitstests. Die Ergebnisse zeigen, dass dünne CuO-Schichten die Haftung deutlich verbessern, während übermäßige Oxidation die Festigkeit verringert, sofern keine hohen Sinterparameter angewendet werden. Eine angepasste Oberflächenrauheit in Relation zur Partikelgröße der Silberpaste ist entscheidend; unbehandelte, rauere Oberflächen erweisen sich als besonders vorteilhaft. Die Kornorientierung des Kupfers beeinflusst die Silberhaftung stark, wobei <100>- und <101>-Orientierungen aufgrund günstiger kristallographischer Eigenschaften bevorzugt werden. Feinkörnige Kupfersubstrate zeigen eine höhere Ermüdungsbeständigkeit und reduzieren die Degradation der Silberverbindungen während thermischer Zyklen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gezielte Anpassung der Kupferoberflächenchemie, Rauheit und Mikrostruktur in Kombination mit optimierten Sinterbedingungen die Haftfestigkeit und Zuverlässigkeit deutlich verbessert. Diese Erkenntnisse liefern grundlegende Ansätze für die Entwicklung langlebiger Verbindungen in Hochleistungs-Leistungselektronikmodulen und unterstützen den Übergang zu klimafreundlichen Technologien.