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Reaktive Multischichtsysteme
- ein innovatives Fügeverfahren
zur Erzielung hermetisch dichter Verbindungen
Axel Schumacher1, Stephan Knappmann1, Georg Dietrich2, Erik Pflug2, Alfons Dehé1
1Hahn-Schickard, Villingen-Schwenningen2Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden
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Gliederung
1. Reaktive Multischichtsysteme (RMS)
2. Entwicklung rissarmer RMS auf Basis Zr/Si
3. Prozesstechnik zum reaktiven Fügen
4. Beispiele für rissarmes und hermetisches Fügen
Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 2
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Aufbau und Prinzip
reaktiver Multischichtsysteme (RMS)
RMS als lokale Wärmequelle („Energiespeicherschichten“)
Aufbau: Vielfachschichten aus mindestens zwei
verschiedene Materialien, d ≈ 10 - 30 nm
Gesamtdicke bis 120 µm
Energiefreisetzung durch lokale Temperaturerhöhung („Zündung“)
Extrem schnelle Reaktion unter Legierungsbildung
Kurzzeitige Temperaturerhöhung Aufschmelzen von Lot oder Grundmaterial möglich
Eigenschaften an den Anwendungsfall anpassbar
Fügepartner 1
Fügepartner 2
Zündung Anpressen Reagiert
Reaktion
Lot
Lot
RMS
Reaktion
Frei werdende
Bindungs-
enthalpie
(kJ/mol)
Adiabatische
Reaktions-
temperatur
(°C)
Ti + Al TiAl -36 1227
Zr + Al ZrAl -45 1480
Ni + Al NiAl -59 1639
5Ti + 3Si Ti5Si3 -72 2120
5Zr + 3Si Zr5Si3 -72 2250
Pd +Al PdAl -92 2380
Energielevel:
niedrig
mittel
hoch
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Reaktives Fügen – Eigenschaften
Metallische Verbindung
• Hohe Leitfähigkeit (elektr. + therm.)
• Hohe Festigkeit
• Langzeitstabil (Geringe Feuchteempfindlichkeit)
Kurze Reaktionszeit
• Geringe Bauteilerwärmung
• Stressarme Fügeverbindung
• Kurze Prozesszeiten
Viele Materialien
• Metalle (Cu, Al, Ni, Stahl)
• Keramik (Al2O3, AlN)
• Silizium, SiO2, Borosilikatglas
• Kunststoffe
Ausgleich von
Unebenheiten
• Hermetisch dichte VerbindungenKein Sauerstoff nötig
• Reaktion im Vakuum, Wasser oder
Schutzgas möglich
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Herstellung von RMS (Fraunhofer IWS)
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Magnetron-Sputteranlage
HV-Batchanlage: VTD MSL 600
Raten: 2 – 6 µm/h (Ni/Al)
4 DC Beschichtungsquellen:
Leistung: bis zu 10 kW
Targets: 650 x 125 mm²
RMS + Lot + Benetzungsschichten
Substratträger:
6 fach Substratträger (5 verfügbar)
Substratgröße: 430 x 220 mm²
Herstellungsvarianten:
Freistehende Folien (Preforms)
Direktabscheidung auf Wafern, Bauteilen
Quelle: Fraunhofer IWS
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Standardsystem Ni/Al-RMS
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Kostengünstig
Mittelenergetisch
niedriges Prozessrisiko
RMS-Folie:
Dicke 20 – 120 µm
Strukturierbar (Laser)
Direktabscheidung:
Bis zu 80 µm
Strukturierbar (Schattenmasken)
Optional mit Belotung
Nachteil:
Hohe Reaktionsschwindung
12,4 %
40 µm dicke Ni/Al-RMS-Folie
Ni/Al-RMS abgeschieden auf einem Si-Wafer
Strukturierte Ni/Al-RMS-Folie
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Hermetisch dichtes Fügen
Grundproblem bei Ni/Al-RMS:
RMS-Schwindung während Reaktion Ni + Al NiAl
Thermoschockentstehung Versatz, Entlötung
Entstehung von Rissen innerhalb RMS Undichtigkeiten
Lösungsansätze:
Entwicklung rissarmer RMS
Einführung eines neuen RMS-Typs
auf Basis von Zr/Si
Entwicklung Fügeprozesstechnik
Optimierte Anpressung
Mehrpunktzündung
Al2O3 Fügung mit 40 µm Ni/Al-RMS
Risse im RMS
Sn-Lotschicht
Ni/Al-RMS
Sn-Lotschicht
Al2O3
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Al2O3
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Entwicklung rissarmer RMS
Basis: Zr/Si
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Zielsystem: Zr:Si = 5:3 max. Energie
Hohes Prozessrisiko Einbau einer
duktilen Passivschicht (Al) an
verschiedenen Grenzflächen
Ergebnisse:
Entstehende Phasen (Diffraktometrie):
Zr5Si3-Zielphase kaum nachweisbar
Zr1Si1-Phasen immer nachweisbar
ZrxAly-Phasen sehr oft nachweisbar
Energieverlust durch die Bildung von
niedrigenergetischen Phasen
Neue Zielreaktion, um dennoch die
höchstmögliche Energie zu erreichen:
Zr + Al + Si Zr1Si1 + ZrAl3
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Entwicklung von Zr/Si-RMS
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Reaktionsschwindung: 3 %
Finden der optimalen Schichtzusammensetzung: Eigenspannungsanalyse
Messung Energiegehalt (DSC)
Messung Ausbreitungsgeschwindigkeit
System für Folienherstellung: Zr/Al/Si mit höherem Al-Anteil
Etwas geringere Energie, aber immer noch höher als Ni/Al-RMS
System für Direktabscheidung: Zr/Al/Si mit geringerem Al-Anteil
Höchste Energie
12 µm erfolgreich hergestellt
Spannungsarm
Mit und ohne Belotung (Hart- und Weichlot)
Vollflächig und strukturiert Zr/Al/Si-RMS abgeschieden auf einem Wafer
Weltweit erste Zr/Al/Si-Folie (30 µm), mit Laser strukturiert
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Hochgeschwindigkeitskameraaufnahme
des ternären Zr/Al/Si-RMS
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Hochgeschwindigkeitskamera 50.000 fps
20 µm Zr/Al/Si-RMS-Folie
Dimension RMS-Streifen: (80 x 5) mm²
4 Wiederholungen: 12,5 – 13,5 m/s
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Fügeprozesstechnik für Bauteile
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Prozessgerät FINEPLACER®:
Präzise Ausrichtung Bauteil – Substrat
Definierte Kraftaufbringung
Maßnahmen zur Erhöhung der Dichtheit:
Elastische Anpressung
Kompensation der Schwindung
Mehrpunktzündung (bei Bedarf)
gleichmäßige Reaktionsausbreitung ausrichten anpressen
zünden
Zündelektrode
Elastomerauflage
RMS
Substrat
Bauteil
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Fügeprozesstechnik
Wafer und Einzelchips
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Integration Zündvorrichtung im Waferbonder
Vakuumdurchführung für 3 x 2 Zündelektroden
Integration der Zündelektroden in eine Anpressplatte
Si-Schablonen zur Positionierung der Chips
Erfolgreiches simultanes Fügen von 3 Einzelchips
im Vakuum
Anpressplatte Waferbonder EV 500
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Weichlot (4 µm Sn):
• Vereinzelt Risse im RMS,
mit Lot gefüllt
• Keine Risse im Glas
Defektfreies Fügen von Borosilikatglas
mit ternärer Zr/Al/Si-RMS
Fügeprozess im Waferbonder (Vakuum)
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Deckelchip, 8 x 8 mm²
Basissubstrat, 12 x 12 mm²
mit RMS-Beschichtung
Deckelchip:
Borosilikatglas
Lot
Lot + RMS
Basissubstrat:
Silizium oder Pyrex
Hartlot (4 µm Incusil):
• Vereinzelt Risse im RMS,
nicht mit Lot gefüllt
• Vereinzelt Risse im Glas
Borosilikatglas
Hartlot
Borosilikatglas
RMS
Silizium
Weichlot
Borosilikatglas
RMS
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Deckelung Keramikgehäuse
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Gehäuse LCC01627
Ni-beschichtet und planarisiert
Galvan. 1 µm Au
Substrat
Borosilikatglas, 12 x 12 mm²
Schichtfolge:
Haft- und Kontaktmetallisierung
4 µm Weichlot
12 µm ZrSiAl-RMS
Fügeversuche mit Fineplacer
He-Lecktest an gefügten Bauteilen
Gemessene Leckrate:
Entspricht einem Loch-Ø von ca. 10 nm!
Gehäuse
Pyrex mit RMS
Gehäuse
(Unterseite)
Glassubstrat mit
reagierter RMS
2,0 ∙ 10−8 𝑚𝑏𝑎𝑟 ∙ 𝑙/𝑠𝑒𝑐
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Zusammenfassung + Ausblick
Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 15
Zusammenfassung:
Ni/Al-RMS verfügbar
Ternäre Zr/Si/Al-Systeme stehen als
hochenergetische RMS zur Verfügung
Als freitragende Preforms
Direktbeschichtung
Optional mit Belotung
Reaktiver Fügeprozess verfügbar
Von Bauteilen
Von einzelnen Chips, auf Wafer erweiterbar
An Luft und im Vakuum
Borosilikatglas kann rissfrei gefügt werden
Feinleckdichte Fügung von Borosilikatglas
auf Keramikgehäuse demonstriert
Ausblick:
Optimierung der Zr/Si/Al-RMS hinsichtlich
Erhöhung des Prozesssicherheit
Optimierung der Eigenschaften
Fügen von ganzen Wafern
Weitere Anwendungen in der
Mikrosystemtechnik und darüber hinaus
Modellierung und Simulation des
reaktiven Fügens
Vertiefung des Prozessverständnisses
Ermittlung der räumlichen und zeitlichen
Wärme- und Spannungsverteilung
Vermeidung von aufwändigen
Versuchsreihen bei der Evaluierung der
optimalen Material- und Prozessparameter
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Danksagung
Das IGF-Vorhaben 19069 BG der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte
Verfahren e.V. des DVS 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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Kontakt
Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 17
Hahn-Schickard
Wilhelm-Schickard-Str. 10
D-78052 Villingen-Schwenningen
www.Hahn-Schickard.de
Dr. Axel Schumacher
Tel: +49 7721 943-237
Fax: +49 7721 943-210
E-Mail: [email protected]
Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Dresden (IWS)
Winterbergstraße 28
D-01277 Dresden
www.iws.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Georg Dietrich
Tel: +49351 83391-3287
Fax: +49351 83391-3300
E-Mail: [email protected]
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT