Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Geometrisch skalierte Spulen für das induktive Transient Liquid Phase (TLP)-Waferbonden in der Mikrosystemtechnik

Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) von mikromechanischen und mikroelektronischen Bauteilen stellt einen erheblichen Kostenfaktor bei der Herstellung mikrosystemtechnischer Komponenten dar und ist für eine Vielzahl von Anwendungen in den von KMU geprägten Branchen der Mikroelektronik, Feinmechanik, Optik, Elektrotechnik- und Elektronikindustrie von essentieller Bedeutung.

Beim Waferbonden, einem wesentlichen Teil der AVT, werden Wafer mit identisch positionierten Rahmenstrukturen zueinander ausgerichtet und stoffschlüssig gefügt, um die darin befindlichen Mikrosysteme zu verkapseln. Die Rahmenstrukturen dienen dabei als Fügezusatzwerkstoff. Während des Fügeprozesses werden Komponenten wie Wafer, Rahmenstrukturen und Funktionselemente teilweise sehr hohen Temperaturen (≤ 400 °C) sowie Fügedrücken (≤ 40 Mpa) ausgesetzt. Dieser Umstand sowie die oft zeitintensiven Aufheiz- und Abkühlphasen können zur Schädigung der empfindlichen Sensoren führen. Es besteht daher ein Bedarf an angepassten Niedertemperaturfügetechnologien wie dem Transient Liquid Phase Bonden (TLP bonding). Mit diesem Verfahren kann bei Fügetemperaturen von ≤ 300 °C gebondet werden. Industrielle TLP-Waferbondprozesse erwärmen den gesamten Substratstapel jedoch global über einen längeren Zeitraum. Durch die induktive Unterstützung des Verfahrens kann ein selektiver Energie- und Wärmeeintrag direkt im Fügezusatzwerkstoff generiert werden, sodass die thermische Belastung der Mikrosysteme während des Fügeprozesses sowie die Fügezeit minimiert wird. Für eine solche Lösung müssen die Spulengeometrie durch geometrische Skalierung an die Rahmenstrukturen angepasst und unter Verwendung mikrotechnologischer Verfahren miniaturisiert werden.

Insbesondere für Kleinserien und Spezialprodukte, wie sie bei KMU typisch sind, ist der geringe Aufwand bzw. die niedrige Komplexität des zu entwickelnden induktiven Prozesses bzw. die hohe Kompatibilität des Erwärmungsmoduls mit bestehenden Prozessen bedeutsam.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte gezeigt werden, dass die induktive Erwärmung mikrosystemtechnischer Komponenten mittels mikrotechnologisch hergestellter Spulen (Mikrospulen) realisierbar ist. Dies stellt ein Novum dar, da Induktionsspulen mit Leiterbreiten von < 1 mm in der industriellen Anwendung bisher nicht existent sind.

Weiterhin wurde auf Basis dieser Mikrospulen ein selektiver Hochgeschwindigkeitserwärmungsprozess erarbeitet, der die thermische Belastung der Mikrosysteme und Substrate während des Bondprozesses minimiert. Zusätzlich führen die sehr schnellen Aufheizraten dazu, dass die Prozesszeit (Aufheizen, Halten, Abkühlen) signifikant reduziert werden kann. Dies wirkt sich positiv auf den Energiebedarf, CO2-Haushalt und den Durchsatz aus.

Im Vergleich zum konventionellen Cu-Sn SLID Bonden, bei dem die Prozesszeit im Bereich von 10 bis 30 min liegt, ist das induktive Cu-Sn-Bonden im Bereich von 30 bis 240 s sowie mit stark lokal begrenzter Wärmeeinbringung möglich. Außerdem sind die kurzen Bondprozesszeiten als auch die lokal begrenzte Einbringung thermischer Energie hinsichtlich der Vermeidung von thermischer Spannungen in den Bauteilen positiv zu bewerten.

Die erarbeiteten Simulationsmodelle sowie das dabei gewählte methodische Vorgehen können dabei auf andere Anwendungsbereiche (z. B. Medizintechnik, Mikrofluidik, Leistungselektronik) transferiert werden und ermöglichen es, den Bondprozess virtuell zu erproben, sodass kein teurer Prototypenbau notwendig ist. Mit Hilfe diverser analytischer Methoden konnten stoffschlüssige und mechanisch feste Bondverbindungen nachgewiesen werden, welche den Literaturwerten für das konventionelle Cu-Sn SLID Bonden entsprechen. Abschließend ist die entwickelte Technologie in konventionelle Waferbonder integrierbar und birgt enormes Potenzial für die industrielle Anwendung.