Innovative Verbindungstechnologie auf der Basis reaktiver nanoskalarer Multischichten: Vortrag gehalten auf dem MikroSystemTechnik-Kongress 2017, MEMS, Mikroelektronik, Systeme; München; 23.-25.10.2017

Die Herausforderungen der Mikroverbindungstechnik wachsen von Jahr zu Jahr. Bei stetig steigender Integrationsdichte von Bauteilträgern, bei zunehmender Hybridisierung von Systemintegrationen sowie bei enormer Miniaturisierung ist auch die Verbindungstechnologie gefordert den damit einhergehenden oft massenhaften, kostengünstigen sowie umweltverträglichen Produktionsanforderungen gerecht zu werden. Auf Wafer- und Chip-Level ist hier die entscheidende technologische Zielstellung die Reduzierung der Prozesstemperaturen. Es geht darum, insbesondere bei gleichzeitig vielfältigeren Materialkombinationen auf diesen Integrationsebenen, den Einfluss differenter Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner zu minimieren sowie möglichst thermische Beanspruchung sensibler Bauteilen zu vermeiden. Eine vielversprechende Möglichkeit in der Packaging-Technologie auf dem Gebiet von Raumtemperatur-Bondverfahren bietet die Beherrschung von exothermen Reaktionen. Grundlage dieser Nanotechnologie ist die Herstellung von reaktiven nanoskalaren Metallschichtsystemen (RMS), die durch einen Energieimpuls zu einer Reaktion angeregt werden. Hier bündelt man die Prozesse sich selbstausbreitender Reaktionen, die gleichzeitig freiwerdende Reaktionsenergie sowie die ultrakurzen Reaktionszeiten für ein innovative Mikrobondverfahren auf Grundlage von Nanotechnologie. Es geht um den Einsatz von nanoskalaren Metallschichtsystemen, welche als alternierenden Einzelmetallschichten auf einen der Fügepartner abgeschieden die eigentliche Energie für den Fügeprozess bereitstellen. Durch die sehr kurzen Reaktionszeiten bei gleichzeitig sehr kleinem Reaktionsvolumen kommt es einzig zu einen lokal begrenzten, d.h. unmittelbar mit der Fügezone zusammenfallenden Wärmeeintrag. Mit der Fertigung einer am CiS Forschungsinstitut entwickelten Hochleistungsbeleuchtungseinheit (6HBS) ist es gelungen die innovative reaktive Bondtechnologie aus den Laboren der Forschungsinstitute in die Produktion zu überführen. (I) Durch die iRMS Fügetechnologie (Palladium/Aluminium- RMS) konnte eine Aufbauvariante im Zusammenhang einer miniaturisierten Laserstrahloptik entwickelt werden, die es trotz temperaturempfindlicher Polymeroptik ermöglicht einen wärmesensiblen Laseremitter in Flip-Chip-Technologie hochpräzise zu fügen. (II) Innerhalb dieser mikrooptischen Systemvariante, wo letztlich ein einziger, beidseitig strukturierter Glas-Wafer zum Einsatz kommt, ist die konkrete Aufgabe der Verbindungstechnik eine Strahlquelle (Chip) auf die gegenüberliegende Seite der optischen Applikation zu fügen. Da es im Fertigungsprozess nicht möglich ist, die Polymeroptik in einem späteren Prozessschritt zu integrieren und gleichzeitig die einzelnen optischen Linseneinheiten eine Lagereferenz für die Lichtquelle darstellen, war hier eine Verbindungstechnologie erforderlich, die eine niedrige Wärmebelastung genauso garantiert, wie ein hochpräzises Fügen (+/- 56m Lagetoleranz) der Halbleiterbauteile. Das Lasermodul besitzt Abmessungen von 640 6m x 700 6m x 1,4 mm und bildet einen Lichtfleck von 300 6m in 30 mm Entfernung ab. Es sendet monochromatisches Licht mit einem Divergenzwinkel von weniger als 0,5° und guter Strahlqualität aus. Die Strahlung ist in einer Ebene linear polarisiert und um 45° zur Modulkante geneigt. Doch neben den technologischen Möglichkeiten konnte durch das iRMS-Bondverfahren auch eine kostengünstige hochvolumige Produktion angefahren werden. Durch die konsequente Miniaturisierung sowie die komplette Integration auf Wafer-Level wurde das gesetzte Ziel einer kostengünstigen Massenproduktion letztlich durch die ultrakurzen Prozesszeiten des iRMS Bondverfahrens eingelöst. Mit dieser Technologie können jetzt bis zu 20.000 Baugruppen pro Glaswafer in kürzester Zeit hergestellt werden