Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Montage von Mikrosystemen mit reaktivem Nanofügen in einer Fertigungsprozesskette

Ziel des Gesamtprojektclusters ist die Entwicklung und Realisierung exotherm reaktiver Mehrschichtsysteme, die durch einen geeigneten Zündvorgang aktiviert werden. Die dadurch entstehende Wärme dient zum Aufschmelzen von Lotschichten, welche sich als Verbindungsschicht zum Fügen mikrotechnischer Bauteile unterschiedlichster Werkstoffe eignen. Die für dieses Verfahren benötigten wissenschaftlichen Grundlagen werden von den Partnern des Projektclusters erarbeitet und im Projekt des HSG-IMIT als integraler Bestandteil der vorhandenen Fertigungsprozesskette umgesetzt. Auf Basis von Einzelkomponenten wird das reaktive Nanofügen an Hand von zwei exemplarischen Beispielen, einem Taupunktsensor und einem Beschleunigungssensor entwickelt und die industrielle Verwertung nachgewiesen.

Zum Erreichen dieses Zieles erfolgt eine Verifizierung der Prozesstechnik zur Schichtabscheidung sowohl der benötigten Lotschichten als auch der reaktiven Schichtsysteme mit etablierten PVD-Verfahren der Mikrosystemtechnik, die Entwicklung des bauteilspezifischen Zündvorganges und des bauteilspezifischen Fügeprozesses und eine Erarbeitung von Designrules und Prozessrandbedingungen für die weitere industrielle Anwendung. Wesentliche Merkmale des reaktiven Fügeverfahrens sind die Möglichkeit der extrem lokalen Energieeinkopplung in der Fügezone mit kurzen Prozesszeiten und die Möglichkeit der Verwendung von Multilayerschichten mit spezifischen thermomechanischen Eigenschaften für stressarme, gut Wärme leitende, hochfeste und dichte Verbindungen. Daraus folgt eine prozesssichere und Bauteil schonende Fügetechnik. Wärmeempfindliche Komponenten wie Piezoaktoren, membranbasierte Sensorelemente und Mehrlagen-Aufbauten können auf verschiedenen Trägersubstraten mechanisch kontaktiert werden. Die Vorteile der neuen Fügetechnologie wie spannungsarme Montage, gute Wärmeleitung der Verbindungsschichten und dichte Gehäusung von Sensoren werden an den exemplarischen Beispielen untersucht.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurde die Prozesstechnik zur Montage von Mikrosystemen auf der Basis von reaktiven Multischichten (RMS) entwickelt und anhand von einigen Funktionsmustern verschiedene Anwendungsmöglichkeiten dieser Aufbautechnik aufgezeigt. Als RMS dienten Ni/AI- und Pd/AI-Multischichten, mit oder ohne zusätzliche Lotschichten, die von Partnern aus dem Projektcluster Remtec entweder durch direkte Abscheidung oder in Form einer Folie hergestellt worden waren. Die Schichten bzw. Folien wurden mittels Laser strukturiert. Zur Durchführung der Fügeprozesse diente ein Die-Bonder, der neben einer präzisen Positionierung einen definierten Anpressdruck der Fügepartner ermöglicht. Die Zündung der RMS wurde mittels eines elektrischen Funkens initiiert. Anhand von Fügeversuchen mit unterschiedlichen Substratmaterialien (Keramik, Silizium, Borosilikatglas, Kupfer) wurden die erforderlichen Parameter für den Fügeprozess optimiert. Die Qualität der Fügeverbindungen wurde anhand von Schliffbildern und Zugscherversuchen evaluiert. Für die Anwendung in Taupunktsensoren wurden Mikro-Peltierkühler sowohl mit RMS als auch mittels Epoxidkleber mit Kupfer-Wärmesenken verbunden. Nach einer Feuchte-Wärme-Lagerung wiesen die geklebten Verbindungen einen deutlich erhöhten Wärmewiderstand auf. Somit wurde die verbesserte Lebensdauer von RMS-gefügten Verbindungen im Vergleich zu geklebten Verbindungen unter feuchtwarmer Umgebung nachgewiesen. In einer anderen Anwendung wurden Beschleunigungssensorchips auf Siliziumbasis mittels RMS auf Keramiksubstrate gefügt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die reaktiv gefügten Verbindungen ähnlich stressarm waren wie diejenigen nach einem Aufbau durch Silikonkleber. Im Vergleich zum Silikonkleber ist die mechanische Festigkeit der reaktiv gefügten Verbindung jedoch größer.