Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Induktives Sintern von gedruckten mikro- und nanoskalierten Zwischenschichten zum Fügen mikroelektronischer Komponenten

Ziel des Forschungsvorhabens „InSight“ ist die Erarbeitung einer Sintertechnologie zur selektiven Erwärmung von µAg- und nAg-Schichten. Damit sollen porenarme bzw. porenfreie Fügeverbindungen zwischen Halbleiterbauelementen und Substraten mit verringertem Prozessdrücken und Fügezeiten erzeugt werden.

Zur Realisierung einer lokalen Schnellerwärmung ist ein induktiver Erwärmungsansatz vorgesehen. Dabei wird ein hochfrequenter elektrischer Strom direkt in die Sinterschicht induziert. Dieser ruft eine Widerstandserwärmung hervor. Vorteilhaft für eine effektive Energieumsetzung ist die hohe elektrische Leitfähigkeit der einzelnen Silberpartikel bei initial schlechter Leitfähigkeit der Sinterpaste. Im Vorhaben soll ein modularer Versuchsstand entstehen, mit dem drucklose Erwärmungsversuche zur Bestimmung der Effektivität und Homogenität der Magnetfeldeinkopplung sowie druckgesteuerte Sinterprozesse an industrierelevanten Baugruppen abbildbar sind. Um die Bauteilschädigung durch elektromagnetische Felder auszuschließen werden Schutzmaßnahmen erarbeitet und entsprechende Prüfungen vorgenommen. Darüber hinaus wird der Prozess simuliert und die erforderlichen physikalischen Eingangsgrößen versuchstechnisch ermittelt.

Durch die Energieeinbringung über hochfrequente, elektromagnetische Wechselfelder erwarten die Forschungsstellen neue Effekte bezüglich der Ausbildung von nahezu porenfreien Schichten. Um die Entstehung solcher, bereits in Vorversuchen erzeugter Gefüge zu verstehen, soll ein zum Stand der Technik erweitertes Prozessverständnis erarbeitet werden.

Im Ergebnis des Vorhabens werden ein Technologiedemonstrator zur Untersuchung und ein Simulationsmodell zur Abbildung industrieller Fügeaufgaben zur Verfügung stehen. Damit sollen KMU bei der Technologieeinführung des induktiven µAg/nAg-Partikelsinterns innerhalb von 2 – 10 Jahren nach Abschluss des Vorhabens in der Leistungs- und Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik sowie Werkzeug- und Maschinenbau unterstützt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte gezeigt werden, dass mittels induktiver Erwärmungstechnik Die-Attach-Bondverbindungen realisierbar sind. Dies stellt ein Novum dar, da das Die-Attach-Bonden mittels Induktion in der industriellen Anwendung bisher nicht existent ist. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren, bei denen das Die-Attach-Bonden zehn Minuten bis zu mehrere Stunden dauern kann, ist das induktive Bonden innerhalb weniger Sekunden sowie mit stark lokal begrenzter Wärmeeinbringung möglich. Insbesondere der Aspekt der Zeitersparnis beim Bondprozess birgt enormes wirtschaftliches Potenzial. Außerdem sind die kurzen Bondprozesszeiten als auch die lokal begrenzte Einbringung thermischer Energie positiv zu bewerten hinsichtlich der Vermeidung von thermischer Spannungen in den Bauteilen.

Der induktive Bondprozess konnte vor den eigentlichen Bondversuchen erfolgreich simuliert werden. Dadurch war es möglich, eine an die Geometrie der zu fügenden Teile angepasste Induktorengeometrie zu entwickeln, so dass eine für den Bondprozess optimierte Wärmeverteilung im Die-Attach erreicht wurde. Die erzielten Simulationsergebnisse sowie das dabei gewählte methodische Vorgehen können dabei auf andere Die-Attach-Layouts transferiert werden und ermöglicht es, den Bondprozess virtuell zu erproben, sodass kein teurer Prototypenbau mehr notwendig ist. Hinsichtlich der hergestellten Bondverbindungen in den praktischen Experimenten konnte mittels diverser analytischer Methoden nachgewiesen werden, dass die Verbindungen zwischen Halbleiterbauelement und Leiterplatte durch eine sehr gute stoffschlüssige und feste Anbindung gekennzeichnet sind, die Bondverbindungen, die mit konventionellen Bondverfahren hergestellt wurden, in nichts nachstehen. Auch konnte gezeigt werden, dass die Halbleiterbauelemente während des induktiven Bondprozesses nicht geschädigt werden. Die entwickelte Technologie ist (theoretisch) gut in konventionelle Bonder integrierbar und birgt enormes Potenzial für die industrielle Anwendung.