Reaktive Nanoschichten - ein innovatives Fügekonzept für die AVT auf Bauteil- und Waferlevel

Im Zuge der zunehmenden Integration und Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik steigen die Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. So müssen immer öfter Materialen und Bauteile miteinander gefügt werden, welche sich durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und hohe Sensibilität auszeichnen. Somit steigt der Bedarf an Niedertemperaturfügeverfahren, welche zum einen die thermische Beanspruchung der Bauteile minimieren und zum anderen niedrige Spannungen in der Fügezone realisieren können. Ein vielversprechender Ansatz zur Entwicklung einer integrierten Wärmequelle für Fügeanwendungen besteht in der Nutzung nanoskaliger Multischichtsysteme. Grundprinzip dieser reaktiven Multischichtsysteme (RMS) ist die wechselnde Abscheidung zweier Materialien, welche innerhalb des Schichtsystems in einem thermodynamischen Ungleichgewicht stehen und durch Einbringen einer Aktivierungsenergie eine exotherme Reaktion erzeugen können. Nach erfolgter Aktivierung startet eine selbsterhaltende Reaktion, infolge derer die gesamte RMS durchreagiert und einen Teil der Bindungsenthalpie in Form von Wärme freisetzt. Diese Wärmefreisetzung erfolgt innerhalb weniger Millisekunden direkt innerhalb der Fügezone, sodass eine signifikante Erwärmung der Bauteile nicht stattfindet. Durch die ultrakurzen Prozesszeiten und dem Wegfall von externen Wärmequellen können neuartige Materialkombinationen schonend und hochproduktiv miteinander verbunden werden. In den vergangenen Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, RMS zu entwickeln und für die Anwendungen in der Mikrosystemtechnik zu evaluieren. So ist es derzeit möglich, RMS als freistehende, optional vorbelotete Folien für Anwendungen auf Bauteilebene, als auch in Form integrierter, direkt auf Bauteil- und Waferlevel abgeschiedener Schichtsysteme herzustellen [1,2,3]. Es werden aktuelle Entwicklungen zur Herstellung und Nutzung von RMS in der Mikrosystemtechnik vorgestellt. Anhand neuartiger RMS-Designs und der Weiterentwicklung der Fügetechnik werden Konzepte und Arbeiten zur Herstellung hermetisch dichter Fügungen thematisiert. Insbesondere wird auf die Entwicklung speziell angepasster RMS fokussiert, welche durch integrierte Lot- und Wärmedepots zu einer Homogenisierung des Temperaturprofils in der Fügezone, als auch zur Minimierung auftretender Risse innerhalb der Fügezone beitragen können. In exemplarischen Fügeversuchen auf Bauteilebene werden die auftretenden Effekte angepasster RMS und neu entwickelter Fügeprozesstechnik auf die Ausbildung der Fügezone vorgestellt (Abb. 2). Außerdem wird ein Ausblick auf die Übertragung der neu gewonnenen Erkenntnisse auf Waferlevel unter Nutzung dünnster, integrierter RMS gegeben.