Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Heterogene Integration von Substraten mittels nanoporöser Metallschichten

Die 3D Integration und die hermetisch dichte Verkapselung von Mikro-elektro-mechanischen Systemen und Mikroelektronik ist für eine Vielzahl von Anwendungen von essentieller Bedeutung. Das Verbinden zweier Substrate verschiedener Materialien stellt aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine Herausforderung an das Fügeverfahren dar. Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren verstärkt an Technologien geforscht, die einen geringen Energieeintrag an der benötigten Fügestelle ermöglichen. Die Erarbeitung eines Fügeverfahrens unter Verwendung nanoporöser Metallschichten (NPMS) adressiert diesen wesentlichen Forschungsschwerpunkt zur Senkung der thermischen Belastung der Bauteile beim Fügen. Zur Herstellung solcher NPMS soll in dem Forschungsvorhaben HeInaMet die elektrochemische Legierungsabscheidung von AuSn mit anschließendem Ablegieren des unedleren Metalls erarbeitet werden. Man unterscheidet zwei Arten des Ablegierens: das elektrochemische und chemische Ätzen. Da die Ätzzeiten für das selektive chemische Ätzen sehr lang sind, liegt der Fokus auf der Erarbeitung eines elektrochemischen Ätzprozesses. Weiterhin soll die minimale NPMS Dicke ermittelt werden, so dass die Prozesszeit und letztlich auch die Materialkosten für die jeweiligen Fügeprozesse optimiert werden können. Der Fügeprozess an sich soll dabei mit branchenüblichem Equipment durchgeführt werden, um den Transfer in die Industrie zu erleichtern.

Die Projektergebnisse sind für KMU von großem Nutzen. Neben den Erkenntnissen für die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) ermöglicht die Herstellung hochporöser Materialien deren Einsatz für die Bereiche der Gas- und Flüssigkeitsanalytik sowie der Mikrofluidik. Das Fügeverfahren mit NPMS dient somit zur Erweiterung der Produktpalette sowie des Kundenkreises im Bereich der AVT durch das Fügen unterschiedlicher Materialien. Weiterhin ist auch die Erschließung eines neuen Geschäftsfeldes im Bereich der analytischen Sensorik denkbar.

Ergebniszusammenfassung:

Die Ergebnisse Forschungsvorhaben „HeInaMet“ werden von KMU unterschiedlichster Branchen eingesetzt werden können. Zum einen kann die galvanische Abscheidung von AuSn mit oder ohne Dealloying für die Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzt werden. Somit kann der Elektrolyt für unterschiedliche Aufgabenstellungen im Bereich des Fügens eingesetzt werden. Die Verwendung von handelsüblichen Chip- und Waferbonder dient weiterhin einer raschen Umsetzung der Ergebnisse, da keine neuen Maschinen oder Umrüstungen benötigt werden. Das höchste Potential wird in der Nutzung des AuSn-Systems in der Aufbau- und Verbindungstechnik gesehen. Derzeit werden oft Schichtstapel aus Au und Sn genutzt, welche eine relativ hohe Gesamtschichtdicke (~6 bis 10 µm) aufweisen. Durch die Legierungsabscheidung verringert den Materialeinsatz, da bereits ab 1 µm Schichtdicke gefügt werden kann. Die Fügetemperatur liegt dabei bei ca. 280-310 °C. Für Anwendungen, die diese Temperaturen nicht nutzen können, kann das Thermokompressionsbonden mit NPG bei 250 °C oder geringer eingesetzt werden. Die Dichtheit ist dabei noch zu prüfen.

Das NPG selbst kann durch Unternehmen vielfältig eingesetzt werden. In der Gasanalytik kann es bspw. als Anreicherungsschicht für niedrigkonzentrierte Gasgemische dienen, so dass durch die gezielte Freisetzung des angereicherten Systems der Nachweis auch kleiner Konzentration möglich wird. Als sensorische Schicht kann das NPG als Elektrodenmaterial in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) in der Wasseranalytik eingesetzt werden, um Giftstoffe oder Schwermetall zu detektieren. Die hohe Oberfläche erhöht dabei die Sensitivität des Systems.