Reaktive Multischichtsysteme - ein innovatives Fügeverfahren ......Reaktive Multischichtsysteme -...

17
Reaktive Multischichtsysteme - ein innovatives Fügeverfahren zur Erzielung hermetisch dichter Verbindungen Axel Schumacher 1 , Stephan Knappmann 1 , Georg Dietrich 2 , Erik Pflug 2 , Alfons Dehé 1 1 Hahn-Schickard, Villingen-Schwenningen 2 Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden

Transcript of Reaktive Multischichtsysteme - ein innovatives Fügeverfahren ......Reaktive Multischichtsysteme -...

  • 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

  • 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

  • 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

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 3

  • 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

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 4

  • Herstellung von RMS (Fraunhofer IWS)

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 5

    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

  • Standardsystem Ni/Al-RMS

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 6

    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

  • 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

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 7

    Al2O3

  • Entwicklung rissarmer RMS

    Basis: Zr/Si

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 8

    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

  • Entwicklung von Zr/Si-RMS

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 9

    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

  • Hochgeschwindigkeitskameraaufnahme

    des ternären Zr/Al/Si-RMS

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 10

    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

  • Fügeprozesstechnik für Bauteile

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 11

    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

  • Fügeprozesstechnik

    Wafer und Einzelchips

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 12

    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

  • 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)

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 13

    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

  • Deckelung Keramikgehäuse

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 14

    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

  • 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

  • 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.

    Axel Schumacher - 29.10.2019 - MikroSystemTechnik Kongress 2019 16

  • 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