Join-ZiSi

Optimierte reaktive Bondtechnologie auf der Basis neuartiger Zirkonium-Systeme für den Einsatz in der Mikrosystemtechnik (Join-ZiSi)

Hermetisch dichtes, reaktives Bonden von Chips und Sensoren.
© Fraunhofer IWS
Hermetisch dichtes, reaktives Bonden von Chips und Sensoren.

Motivation

Die Realisierung intelligenter elektronischer Komponenten und Systeme erfordert die Ergänzung von Logik und Speichern. Diese Herausforderung können monolithisch in einem einzigen System-on-Chip (SoC) integriert oder als diskrete Komponenten durch heterogene System-in-Package-Integration (SiP) realisiert werden. Um die anspruchsvollen Spezifikationen und Randbedingungen zu erfüllen, muss mehr Funktionalität in einem kleineren Volumen integriert werden. Dies erfordert neue Montage- und Packaging-Materialien, kompatible Chip-Package-Schnittstellen sowie eine heterogene Integration von Chips mit unterschiedlichen Funktionalitäten wie z.B. MEMS. Da Anwendungen möglichst robust und zuverlässig ausgelegt werden müssen, liegt ein besonderer Fokus auf den elektrischen Fähigkeiten und Temperatureinschränkungen. Daher sind heterogene Integrations- und Montagetechnologien zu einem Schlüsselthema für die Leistung, Zuverlässigkeit und die Kosten eines elektronischen Systems geworden. So gilt es in der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) neue Wege zu finden, die die Realisierung von mechanisch festen, hermetisch dichten, hochtemperaturbeständigen und strahlungsresistenten Verbindungen von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht nur stressarm, sondern auch zuverlässig ermöglichen. Geraten unter diesen gestiegenen Anforderungen zunehmend auch bestehende Fügeverfahren an ihre Grenzen, so konnten in den letzten Jahren auf dem Gebiet der reaktiven Fügetechnologie enorme Fortschritte gemacht werden. 
 

Ziele und Vorgehen

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung der reaktiven Fügetechnologie zur erfolgreichen Nutzbarmachung in der Mikrosystemtechnik. Mit dem Einsatz neuartiger, reaktiver Multischichtsysteme (RMS) auf Zirkonium-Silizium-Basis in Verbindung mit höherschmelzenden Loten werden Assemblys mit herausragenden Eigenschaften, wie hochfeste und stressarme Verbindungen mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie niedriger Bauteilbelastung während des Fügeprozesses, erwartet. Im Projektverlauf werden RMS und geeignete Bondinterfaces gestützt durch Simulationsrechnungen entwickelt und optimiert, sowie deren Abscheideprozesse und Strukturierungsmöglichkeiten auf Bauteil- und Waferebene evaluiert. Anhand von Bondversuchen mit Testcoupons und anschließender Charakterisierung der Fügeverbindungen werden die RMS und Fügeprozesstechnik in einem iterativen Prozess optimiert. Der Nachweis des RMS-Fügeprozesses wird anhand von Funktionsmustern auf Bauteil- und Waferebene erbracht. 
 

Innovationen und Perspektiven

Mit der Realisierung neuartiger Zirkonium-Silizium-RMS wird ein entscheidender Beitrag zur Lösung von Packaging- und Zuverlässigkeitsproblemen bei der Integration von Mikrosystemen geleistet. Somit werden einerseits neue Möglichkeiten zur Verbindung thermomechanisch inkompatibler Materialien in einem Gesamtsystem und anderseits durch Nutzbarmachung höherschmelzender Lote eine wesentliche Performancesteigerung bei der Substituierung bestehender Assembly-Materialien erreicht.