DE102008021167B3 - Verfahren zur Erzeugung einer hermetisch dichten, elektrischen Durchführung mittels exothermer Nanofolie und damit hergestellte Vorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Verbindung (1) von mindestens einem auf einem Substrat (3) innerhalb einer Verkapselung (5) positionierten elektronischen Bauelement (7) nach außerhalb der Verkapselung (5). Es soll die Funktionsfähigkeit der elektrischen Verbindung (1) bei Umgebungstemperaturen größer 140°C sowie bei großen Verlustleistungen und extremen Umwelteinflüssen bereitgestellt sein. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine reaktive Nanofolie (2) mit gezielter, exotherm auslösbarer Reaktion per Laser zur Herstellung hermetisch dichter, elektrischer Verbindungen (1) verwendet wird. Mittels der Nanofolie (2) kann ein Ausgang einer elektrischen Verbindung (1) und ein Kontakt der elektrischen Verbindung (1) an mindestens einen weiteren elektrischen Kontakt bereitgestellt werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und Vorrichtungen gemäß dem Nebenanspruch.
- Mit der mechatronischen Integration kommt es zunehmend zur Verwendung von Elektronik und Sensorik bei wesentlich höheren Umgebungstemperaturen/Verlustleistungen unter gleichzeitig sehr rauen Einsatzbedingungen beziehungsweise Umwelteinflüssen. Insbesondere im Bereich der Hochtemperaturelektronik werden dabei hermetisch dichte, robuste und integrierbare Verbindungen zur Außenwelt auf kleinstem Bauraum erforderlich. Bei Temperaturen oberhalb 150°C sind elektrische Durchführungen in Plastikgehäusen oft lediglich bedingt geeignet. Studien zeigen, dass es bei 180°C bereits innerhalb von 250 Stunden zu ersten Ausfällen der im Plastikgehäuse integrierten Schaltkreise kommt. Herkömmliche elektrische Metall-Glas-Durchführungen sind oft hinsichtlich der Herstellbarkeit, insbesondere hinsichtlich planarer Herstellungsverfahren und einer thermischen Anpassung, und bei der Integration ins Package problematisch.
- Bei herkömmlichen elektrischen Durchführungen in Metallgehäusen, wie diese beispielsweise mit Kovar bereit gestellt sind (Kovar bezeichnet Legierungen die einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, typischer Weise circa 5 ppm/K, der damit geringer als der Koeffizient für Metalle ist; Zusammensetzung beispielsweise 54% Eisen, 29% Nickel und 17% Kobalt, wobei andere Zusammensetzungen ebenso möglich sind), werden Glasdurchführungen verwendet. Anschließend erfolgt der Verschluss mittels eines Deckels, der meist per Rollnaht geschweißt wird. Bei Keramikgehäusen werden in Mehrlagentechnik gesinterte Keramiken mit metallisierten Stromdurchführungen verwendet. Für die Chipmontage und die Verdrahtung durch Bon den ist dabei ein Hohlraum vorgesehen. Der Deckel muss üblicherweise gelötet werden, insbesondere mittels Schutzgas, flussmittelfrei, wobei Gold-Oberflächen verwendet werden. Bei elektrischen Durchführungen in Plastikgehäusen kommen oft umspritzte metallische Rahmen/Leadframes zur Verwendung. Umhüllungen aus Kunststoff sind hinsichtlich der erforderlichen Hermizität und aufgrund auftretender mechanischer Spannungen nur begrenzt für höhere Temperaturen verwendbar.
- [1] offenbart die zehnfache Verringerung des thermischen Widerstands einer Schnittstelle beim Wärmesenkenbefestigen. Die Firma ”Reaktiv Nano Technologies (RNT)” hat eine neue Verbindungstechnikplattform entwickelt, die ein metallisches Bonden zwischen einem Chipgehäuse und einer Wärmesenke ausbilden kann und dabei einen thermischen Widerstand einer Schnittstelle aufweist der zehnmal kleiner ist als der von derzeitigen thermischen Schnittstellenmaterialien (TIM). Der Verbindungsprozess beruht auf der Verwendung von Reaktiven Mehrfachschichtfolien als örtliche Wärmequellen. Die Folien sind eine neue Klasse von Nanoerzeugnismaterialien wobei sich selbst ausbreitende exotherme Reaktionen bei Zimmertemperatur mit einem heißen Draht oder Laser ausgelöst werden können. Bei Einfügen einer Mehrfachschichtfolie zwischen zwei Lotschichten und einem Chipgehäuse und einer Wärmesenke, wärmt durch eine chemische Reaktion in der Folie erzeugte Wärme das Lot derart auf, dass es schmilzt und nachfolgend die Bestandteile bondet. Der Verbindungsprozess kann in Luft, Argon oder Vakuum in annähernd einer Sekunde vervollständigt werden. Die sich ergebenden metallischen Verbindungen zeigen thermische Leitfähigkeiten zwei Größenordnungen größer und thermische Widerstände eine Größenordnung kleiner als derzeitige kommerzielle thermische Schnittstellenmaterialien (TIMs). Es wird unter Verwendung von numerischen Modellen gezeigt, dass die thermische Belastung von mikroelektronischen Gehäusen während des Verbindens sehr eingeschränkt ist. Abschließend wird numerisch gezeigt das reaktives Verbinden zum Löten von Silizium Rohchips direkt an Wärmesenken verwendet werden kann ohne den Chip thermisch zu beschädigen.
- [2] offenbart das direkte Rohchip-Befestigen mit Indium unter Verwendung von Raumtemperaturlöten. Es wird ein neuer Verbindungsprozess beschrieben der fliesmittelfreies, bleifreies Löten bei Raumtemperatur mittels der Verwendung von reaktiven Mehrschichtfolien als eine örtliche Wärmequelle ermöglicht. Mittels Aktivierung einer Mehrschichtfolie zwischen Lotschichten auf Komponenten wird Wärme durch eine Reaktion innerhalb der Folie erzeugt. Dieser Prozess stellt genug örtliche wärme zum Schmelzen des Lots und Fügen der Komponenten bereit. Es wird die Verwendung dieser Folie zum Ermöglichen des Befestigens von Silizium Rohchips direkt an thermische Verwaltungskomponenten dargestellt. Ergebnisse des Modellsystems zur Vorhersage von Temperaturen bei verschiedenen Schnittstellen während des Verbindens sind dargestellt und verifiziert. Im letzten Abschnitt werden Daten über die thermische Leistungsfähigkeit bereitgestellt, die anzeigen dass eine sechs bis achtfache Verbesserung der Rohchipgrößen von 8 × 8 mm auf 17,5 × 17,5 mm ermöglicht wird.
- Die
WO 2007/127931 A2 - Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung min destens einer hermetisch dichten, elektrischen Verbindung von mindestens einem auf einem Substrat, innerhalb einer Verkapselung positionierten, elektronischen Bauelement nach außerhalb der Verkapselung sicher und zuverlässig bereitzustellen. Es soll die Funktionsfähigkeit bei hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere im Bereich größer 140°C, sowie bei großen Verlustleistungen, insbesondere im Bereich bis 600 Watt, und bei extremen Umwelteinflüssen, wie es beispielsweise hohe Luftfeuchtigkeit ist, sicher und zuverlässig erhalten bleiben, wobei eine Größe eines elektronischen Bauelements, beispielsweise im Bereich von 0,05 mm2 bis 150 mm2, gegeben ist.
- Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
- Zur hermetisch dichten, elektrischen Durchführung/Kontaktierung wird eine Anordnung mit reaktiver Nanofolie und darauf beidseitig erzeugter Lotschichten verwendet.
- Nanofolie ist eine Folie mit einem reaktiven Füllstoff, der bei einer Initiierung exotherm reagiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mittels der Nanofolie eine exotherme Reaktion ausgelöst werden. Als Nanofolie eignet sich insbesondere eine sogenannte unter dem Markennamen NanoFoil® der Firma Reactive Nanotechnologies RNT vertriebene Folie. Bei der exothermen Reaktion entstehen hohe Temperaturen, beispielsweise bei einer Aluminium-Nickel-Multilager, im Bereich von 1000°C bis 2000°C.
- Die elektrischen Verbindungen beziehungsweise Durchführungen sind hermetisch dicht und leicht integrierbar, da diese planar und gut wärmeleitend sind. Es werden auf einfache Weise leicht integrierbare, planare elektrische Durchkontaktierungen bereit gestellt. Die elektrischen Durchführungen weisen eine gute Wärmeleitung sowie Wärmespreizung auf.
- Durch die lokal begrenzte Erwärmung beim Löten mit reaktiver Nanofolie kommt es zu einer Reduzierung thermisch induzierter mechanischer Spannungen bei gleichzeitig deutlich geringerer Temperaturbelastung der Bauelemente.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie außerhalb der Verkapselung zum Kontaktieren der elektrischen Verbindung an mindestens einem elektrischen Kontakt. Das heißt die Nanofolie wird zusätzlich zum Verkapseln ebenso zum Kontaktieren der elektrischen Verbindung verwendet.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aktivieren einer einzigen exothermen Reaktion der Nanofolie zum gleichzeitigen Verschließen des Ausgangs und Kontaktieren der elektrischen Verbindung an mindestens einen elektrischen Kontakt. Das heißt das Verschließen des Ausganges und das Kontaktieren der elektrischen Verbindung wird durch das Aktivieren einer einzigen gemeinsamen exothermen Reaktion der Nanofolie bereitgestellt. Es ergibt sich der Vorteil, dass die elektrische Durchführung mit hermetischem Verschluss und gleichzeitig eine elektrische Kontaktierung der elektronischen Bauelemente beziehungsweise Chips bereitgestellt werden kann. Durch diese Auslegung kann der Verschluss beziehungsweise die Verkapselung der elektrischen Durchführung und/oder die Kontaktierung der Bauelemente beziehungsweise der Chips in einem Vorgang erfolgen, das heißt, dass beispielsweise ein Drahtbunden entfallen kann.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie mittels eines Laserstrahls. Aufgrund der lokal begrenzten Erwärmung ergibt sich eine Reduzierung thermisch induzierter Spannungen. Die Aktivierung der exothermen Reaktion wird also per Laser indiziert.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Laser ein Kohlendioxid- und/oder Diodenlaser. Es wird eine reaktive Nanofolie mit gezielter, exotherm auslösbarer Reaktion per Laser zur Herstellung hermetisch dichter, elektrischer Durchführungen verwendet.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Fixieren der Nanofolie auf dem Substrat mittels eines Klebers.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Ankontaktieren des elektronischen Bauelements auf der Nanofolie mittels eines Leitklebers.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erzeugen der Verkapselung mittels Glas und/oder Keramik.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erzeugen mindestens einer elektrischen Durchkontaktierung durch das Substrat von der Nanofolie zu mindestens einer Metallisierung auf der der Nanofolie abgewandten Seite des Substrats.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Erzeugen der Durchkontaktierung mittels mehrlagiger High Temperature Cofired Ceramics (HTCC; Hochtemperaturmehrlagenkeramiken).
- Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben ist. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß erzeugten Vorrichtung mit hermetisch dichter, elektrischer Durchführungen mittels exothermer Nanofolie in schematischer Darstellung; -
2 eine Darstellung des Temperaturprofils in der Fügezone; -
3 die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. -
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß erzeugten Vorrichtung. Bezugszeichen1 bezeichnet eine elektrische Verbindung, die ebenso als Durchkontaktierung bezeichnet werden kann. Diese ist mit einer reaktiven Nanofolie2 bereitgestellt, die beispielsweise Aluminium und Nickel aufweist. Die Nanofolie2 ist auf beiden Seiten mit jeweils einer Lotschicht beschichtet, die beispielsweise AgSn aufweist. Bezugszeichen3 bezeichnet ein Substrat. Bezugszeichen5 bezeichnet eine Verkapselung beziehungsweise einen Gehäusedeckel, der beispielsweise Keramik und/oder Glas aufweist. Innerhalb der Verkapselung5 ist ein elektronisches Bauelement7 fixiert. Die beschichtete Nanofolie2 ist strukturiert auf dem Substrat3 aufgebracht. Das elektronische Bauelement7 ist auf der strukturierten Nanofolie2 ankontaktiert. Derartige Ankontaktierungen bezeichnet Bezugszeichen9 . Bezugszeichen11 bezeichnet einen Laserstrahl zur Initiierung einer exothermen Reaktion der reaktiven Nanofolie2 .1 zeigt ebenso eine elektrische Durchkontaktierung13 durch das Substrat3 von der Nanofolie zu mindestens einer Metallisierung15 auf der der Nanofolie2 abgewandten Seite des Substrats3 . -
2 zeigt ein Temperaturprofil in der Fügezone. Ein derartiges Temperaturprofil in der Fügezone lässt sich mittels numerischer Modelle berechnen und wird über die Dimensionierung der Nanofolie2 und Lotschichtdicke angepasst.2 zeigt die Berechnung des transienten Temperaturverlaufs am Beispiel einer Kupfer/Aluminiumkombination. Die2 ist aus [1] Seite5a entnommen. Es kommt zu einem sehr schnellen Temperaturanstieg/-abfall von kleiner 1 Millisekunde bei entsprechend lokal begrenzte Erhitzung der Fügezone. -
3 zeigt die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung mindestens einer hermetisch dichten, elektrischen Verbindung1 von mindestens einem auf einem Substrat3 , innerhalb einer Verkapselung5 positionierten elektronischen Bauelement7 nach außerhalb der Verkapselung5 . Gemäß einem Schritt S1 erfolgt ein Fixieren mindestens einer strukturierten, beidseitig mit jeweils einer Lotschicht beschichteten reaktiven Nanofolie2 auf dem Substrat3 . Mit einem Schritt S2 erfolgt ein Ankontaktieren des elektronischen Bauelements7 auf der dem Substrat3 abgewandten Seite der Nanofolie2 . Mit einem Schritt S3 erfolgt ein Erzeugen der Verkapselung5 des elektronischen Bauelements7 , auf dem Substrat3 und/oder auf der Nanofolie2 . Mit einem Schritt S4 erfolgt ein Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie2 außerhalb der Verkapselung5 zum Verschließen des Ausgangs der elektrischen Verbindung1 . - Literaturverzeichnis:
-
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Claims (11)
- Verfahren zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Verbindung (
1 ) von mindestens einem auf einem Substrat (3 ), innerhalb einer Verkapselung (5 ) positionierten elektronischen Bauelement (7 ) nach außerhalb der Verkapselung (5 ), mit den Schritten Fixieren mindestens einer strukturierten, beidseitig mit jeweils einer Lotschicht beschichteten, die elektrische Verbindung (1 ) erzeugenden, reaktiven Nanofolie (2 ) auf dem Substrat (3 ); Ankontaktieren des elektronischen Bauelements (7 ) an die Nanofolie (2 ), auf der dem Substrat (3 ) abgewandten Seite der Nanofolie (2 ); Erzeugen der Verkapselung (5 ) um das elektronische Bauelement (7 ) herum, auf dem Substrat (3 ) und auf der Nanofolie (2 ), wobei die Nanofolie unmittelbar zwischen dem Substrat und zumindest einem Randbereich der Verkapselung angeordnet ist und Bereiche der Nanofolie innerhalb der Verkapselung und andere Bereiche außerhalb der Verkapselung angeordnet sind; Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie (2 ) außerhalb der Verkapselung (5 ), an einem Ausgang der elektrischen Verbindung (1 ) aus der Verkapselung (5 ) zum Verschließen des Ausgangs, wobei der Ausgang zwischen dem Substrat und dem Randbereich der Verkapselung angeordnet ist. - Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie (
2 ) außerhalb der Verkapselung (5 ) zum Kontaktieren der elektrischen Verbindung (1 ) an mindestens einen elektrischen Kontakt. - Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aktivieren einer einzigen exothermen Reaktion der Nanofolie (
2 ) zum gleichzeitigen Verschließen des Ausgangs und Kontaktieren der elektrischen Verbindung (1 ) an mindestens einen elektrischen Kontakt. - Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie (
2 ) mittels eines Laserstrahls. - Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch den Laserstrahl eines Kohlendioxid- und/oder Diodenlasers.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Fixieren der Nanofolie (
2 ) auf dem Substrat (3 ) mittels eines Klebers. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Ankontaktieren des elektronischen Bauelements (
7 ) auf der Nanofolie (2 ) mittels eines Leitklebers. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Erzeugen der Verkapselung (
5 ) mittels Glas und/oder Keramik. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Erzeugen mindestens einer elektrischen Durchkontaktierung (
13 ) durch das Substrat (3 ) von der Nanofolie (2 ) zu mindestens einer Metallisierung (15 ) auf der der Nanofolie (2 ) abgewandten Seite des Substrats (3 ). - Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Erzeugen der Durchkontaktierung mittels mehrlagiger High Temperature Cofired Ceramics.
- Vorrichtung aufweisend mindestens eine elektrische Verbindung (
1 ) von mindestens einem auf einem Substrat (3 ), innerhalb einer Verkapselung (5 ), fixierten elektronischen Bauelement (7 ) nach außerhalb der Verkapselung (5 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einem Verfahren der vorangehenden Ansprüche erzeugt worden ist.
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