DE102010042602A1 - Leitfähiges Verbindungsmittel und Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Verbindungsmittels - Google Patents

Leitfähiges Verbindungsmittel und Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Verbindungsmittels Download PDF

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Michael Kruppa
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Es handelt sich um ein leitfähiges Verbindungsmittel (204). Ein leitfähiges Verbindungsmittel weist eine Klebermatrix (202) und Füllstoffteilchen (100) auf, die in die Klebermatrix (202) eingebracht sind. Die Füllstoffteilchen (100) weisen jeweils einen Körper (106) und eine leitfähige Beschichtung (102) auf. Die leitfähige Beschichtung (102) bedeckt den Körper (106) zumindest Bereichsweise. Die Beschichtung (102) ist korrosionsbeständig.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein leitfähiges Verbindungsmittel, ein Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Verbindungsmittels und ein optoelektronisches Bauelement aufweisend das leitfähige Verbindungsmittel.
  • Ein leitfähiges Verbindungsmittel weist leitfähige Füllstoffteilchen auf, die in einer Klebermatrix eingebettet sind. Die Füllstoffteilchen sind thermisch und/oder elektrisch leitfähig. Die Füllstoffteilchen können aus massivem Silber bestehen. Die Füllstoffteilchen aus Silber, insbesondere die Oberflächen der Füllstoffteilchen, können korrodieren. Korrodierende Gase, mit anderen Worten Schadgase, sind beispielsweise Schwefelwasserstoff, Stickoxid oder Schwefelsauerstoff. Diese Schadgase führen zu einer Oxidation von Metallen, vorliegend der Füllstoffteilchen aus Silber. Bei der Sauerstoffkorrosion ist Sauerstoff in Gegenwart von Wasser, insbesondere von Luftfeuchtigkeit, das Oxidationsmittel. Gelöste Sauerstoffmoleküle reagieren mit Wasser zu Hydroxid-Ionen, welche mit dem Metall Oxide und Hydroxide bilden. Durch die Korrosion verringert sich die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Füllstoffteilchen. In der Folge verringert sich die Leitfähigkeit des Verbindungsmittels.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein leitfähiges Verbindungsmittel anzugeben, das korrosionsbeständig und kostengünstig herstellbar ist. Die Möglichkeit Füllstoffteilchen aus massivem Gold oder Palladium einzusetzen, löst die Aufgabe nicht, da Gold und Palladium zwar nicht korrodieren, jedoch zu teuer sind. Die Aufgabe wird hingegen durch ein leitfähiges Verbindungsmittel gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Verbindungsmittels gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 13 gelöst.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des leitfähigen Verbindungsmittels und des Verfahrens zur Herstellung des leitfähigen Verbindungsmittels sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Beispielhafte Ausführungsformen
  • Verschiedene Ausführungsformen weisen ein leitfähiges Verbindungsmittel auf. Das leitfähige Verbindungsmittel weist eine Klebermatrix auf. In die Klebermatrix sind Füllstoffteilchen eingebracht. Die Füllstoffteilchen weisen jeweils einen Körper und eine leitfähige Beschichtung auf. Die leitfähige Beschichtung bedeckt den Körper zumindest bereichsweise. Die leitfähige Beschichtung ist korrosionsbeständig. Mit anderen Worten können Schadgase keine Oxidation auslösen. Dies ist besonders vorteilhaft, da für ein leitfähiges, korrosionsbeständiges Verbindungsmittel nur die Beschichtung der Füllstoffteilchen leitfähig und korrosionsbeständig sein muss. Dies reduziert die notwendige Menge an leitfähigen und korrosionsbeständigen Materialien gegenüber Ausführungsformen bei denen die Füllstoffteilchen aus massivem, leitfähigem und korrosionsbeständigem Material bestehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist die leitfähige Beschichtung eine elektrische und/oder eine thermische Leitfähigkeit auf. Da das leitfähige Verbindungsmittel zur Anbindung eines Halbleiterchips an eine Kontaktschicht zum Einsatz kommen kann, ist eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit vorteilhaft.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist die Beschichtung Gold oder Palladium auf. Auch eine Legierung aus Gold und Palladium ist einsetzbar. Der Einsatz von Gold und/oder Palladium ist vorteilhaft, da beide Materialien eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Gold weist eine elektrische Leitfähigkeit von 44,0 106 1/Ω × m und eine thermische Leitfähigkeit von 314 W/m × K auf. Palladium weist eine elektrische Leitfähigkeit von 9,26 106 1/Ω × m und eine thermische Leitfähigkeit von 72 W/m × K auf. Weiter sind Gold und Palladium nicht korrosiv angreifbar. Korrodierende Gase, auch Schadgase genannt, sind Schwefelwasserstoff, Stickoxide oder Schwefelsauerstoff. Diese Schadgase können einzeln oder in Kombination miteinander auftreten. Die korrodierende Wirkung obiger Gase kann durch Wasser oder Feuchtigkeit noch verstärkt werden. Korrodierbar sind beispielsweise Füllstoffteilchen aus reinem Silber. Schwefel und Silber reagieren zu Silbersulfid. Sauerstoff und Silber reagieren zu Silberoxid. In der Folge gehen die elektrische und thermische Leitfähigkeit des leitfähigen Verbindungsmittels mit Füllstoffteilchen aus reinem Silber verloren. Eine Beschichtung aus Gold oder Palladium vermeidet das Korrosionsproblem.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist die leitfähige Beschichtung der Füllstoffteilchen eine Dicke zwischen etwa 0,5 μm und etwa 1 μm auf. Diese Dicke ist ausreichend, um die thermische und elektrische Leitfähigkeit im Verbindungsmittel sicherzustellen und korrosive Prozesse an den Füllstoffteilchen auszuschließen. Die geringe Dicke der Beschichtung ist besonders vorteilhaft, da im Vergleich zu Füllstoffteilchen aus massivem Gold oder Palladium, eine minimale Menge an Gold oder Palladium ausreichend ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist der Körper eine elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine hohe elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit des gesamten Füllstoffteilchens erreicht wird. Die elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit des Füllstoffteilchens kann Werte wie bei Füllstoffteilchen aus massiven Gold oder Palladium annehmen. Besonders vorteilhaft ist es, dass das Material des Körpers nicht korrosionsbeständig sein muss, weshalb preiswertere leitfähige Materialien als Gold oder Palladium für den Körper einsetzbar sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist der Körper Polymere, Graphit oder Metalle auf. Dies ist vorteilhaft, da Körper aus solchen Materialien einfach und kostengünstig herstellbar sind. Auch kann eine Kombination aus Polymere, Graphit und Metall in vorteilhafter Weise verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist der Körper die Metalle Silber oder Kupfer auf. Der Einsatz von Metallen ist besonders vorteilhaft, da sie über eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit verfügen. Auch kann eine Kombination obiger Metalle in vorteilhafter Weise verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist der Körper die Form einer Kugel auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da mit kugelförmigen Körpern eine dichte Packung und bei einem geringen Volumen des Verbindungsmittels eine große Oberfläche an leitfähiger Beschichtung erreichbar ist. Zudem lassen sich kugelförmige Füllstoffteilchen gut in der Klebermatrix vermischen. Alternativ kann der Körper die Form eines Splitters, einer Flocke, einer Scheibe oder eines Plättchens aufweisen. Die Form eines Plättchens ist besonders vorteilhaft, da damit eine besonders dichte Packung der Körper möglich ist. Zudem sind Plättchen gut zu Dispensen und führen zu einem guten Kontakt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels ist zwischen dem Körper und der leitfähigen Beschichtung eine Zwischenschicht vorgesehen. Die Zwischenschicht kann Chrom, Palladium, Titan, Nickel, Gold oder Silber oder eine Kombination aus diesen Materialien aufweisen. Die Funktion der Zwischenschicht ist eine bessere Haftvermittlung zwischen Körper und leitfähiger Beschichtung. Bei einem Körper aus Kupfer hat eine Zwischenschicht aus Nickel den weiteren Vorteil, dass die Diffusion von Kupfer unterbunden wird. Mit anderen Worten bildet die Zwischenschicht aus Nickel eine Diffusionssperrschicht für Kupfer. Ohne die Zwischenschicht aus Nickel können Kupferionen in die leitfähige Beschichtung diffundieren und diese schädigen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist die Zwischenschicht eine Dicke zwischen etwa 0,5 nm und etwa 2 μm auf. Eine geringe Schichtdicke ist besonders vorteilhaft, da dadurch die leitfähige Beschichtung besonders gut an der Zwischenschicht und damit mittelbar auch am Köper anhaftet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weisen die Füllstoffteilchen Durchmesser zwischen etwa 2 μm und etwa 20 μm auf. Diese Toleranz gegenüber dem Durchmesser der Füllstoffteilchen ist vorteilhaft, da dadurch die Anforderung an den Produktionsprozess bezüglich der Durchmesser der Füllstoffteilchen gering ist. Je kleiner die Füllstoffteilchen sind, desto besser ist die thermische Leitfähigkeit. Je größer die Füllstoffteilchen, desto besser kann thermischer Stress gepuffert werden. Aus diesen beiden Randbedingungen ergibt sich, dass Durchmesser der Füllstoffteilchen zwischen 2 μm und 20 μm vorteilhaft sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist die Klebermatrix Silikon auf. Der Einsatz von Silikon ist vorteilhaft, da es sehr strahlungsstabil und alterungsstabil ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform des leitfähigen Verbindungsmittels weist die Klebermatrix Polymere, auf, insbesondere Epoxid, Acrylat oder Hybride. In einer weiteren Ausführungsform weist die Klebermatrix eine Kombination aus Silikon und Polymere auf.
  • Verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens zum Herstellen eines leitfähigen Verbindungsmittels weisen die folgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst können die Oberflächen von Körpern gereinigt und aktiviert werden. Das Aktivieren erhöht die Oberflächenenergie. Die Körper werden anschließend in ein Medium, z. B. eine Lösung, eingebracht. Eine leitfähige Beschichtung wird auf den Oberflächen der Vielzahl von Körpern abgeschieden. Dadurch werden beschichtete Füllstoffteilchen erzeugt. Die beschichteten Füllstoffteilchen werden in eine Klebermatrix eingebracht.
  • Das Abscheiden der leitfähigen Beschichtung kann ein galvanischer Prozess, ein nasschemischer Prozess oder ein elektrochemischer Prozess, insbesondere ein elektrochemisches Plating, sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Abscheiden der Beschichtung auf die Oberflächen der Vielzahl von Körpern eine Zwischenschicht auf die Oberflächen der Körper aufgebracht. Die Zwischenschicht kann durch einen galvanischen Prozess, einen nasschemischen Prozess oder einen elektrochemischen Prozess, insbesondere durch ein elektrochemisches Plating, abgeschieden werden.
  • Verschiedene Ausführungsformen weisen ein optoelektronisches Bauelement auf. Das optoelektronische Bauelement weist ein leitfähiges Verbindungsmittel auf, das den elektrischen und/oder thermischen Kontakt zwischen einem Halbleiterchip und einem Substrat herstellt. Das optoelektronische Bauelement ist besonders vorteilhaft, da das leitfähige Verbindungsmittel nur geringe Mengen an Gold oder Palladium erfordert. Durch das leitfähige Verbindungsmittel ist neben einer elektrischen Verbindung auch eine ausreichende Entwärmung des Halbleiterchips zum Substrat hin sichergestellt. Dadurch wird die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements erhöht.
  • Der im optoelektronische Bauelement angeordnete Halbleiterchip kann auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basieren.
  • Der Halbleiterchip kann als Oberflächenemitter, insbesondere als sogenannter Dünnfilmchip ausgelegt sein.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele eines leitfähigen Verbindungsmittels werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein.
  • 1 zeigt ein leitfähiges Verbindungsmittel;
  • 2a zeigt einen Schnitt durch ein Füllstoffteilchen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2b zeigt einen Schnitt durch ein Füllstoffteilchen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 3 zeigt ein optoelektronisches Bauelement.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines leitfähigen Verbindungsmittels 204. Das leitfähige Verbindungsmittel 204 weist eine Klebermatrix 202 und in die Klebermatrix 202 eingebrachte Füllstoffteilchen 100 auf. Die Füllstoffteilchen 100 weisen jeweils einen Körper 106 und eine leitfähige Beschichtung 102 auf, die den Körper 106 zumindest bereichsweise bedeckt. Die Beschichtung 102 ist korrosionsbeständig.
  • 2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Füllstoffteilchens 100. Die Beschichtung 102 kann aus Gold oder Palladium oder einer Legierung aus Gold und Palladium bestehen.
  • Die leitfähige Beschichtung 102 weist eine hohe elektrische und eine hohe thermische Leitfähigkeit auf.
  • Die elektrisch leitfähige Beschichtung 102 weist eine Dicke zwischen etwa 0,5 μm und etwa 1 μm auf.
  • Der Körper 106 weist eine elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit auf.
  • Der Körper 106 weist Polymere, Graphit und/oder Metalle auf. Das Metall kann Silber oder Kupfer aufweisen. Das Metall kann auch eine Kombination aus den obigen Metallarten aufweisen.
  • Der Körper 106 kann die Form einer Kugel aufweisen. In einer nicht gezeigten Alternative kann der Körper 106 die Form eines Splitters, einer Flocke, einer Scheibe oder eines Plättchens aufweisen.
  • Die Füllstoffteilchen 100 können einen Durchmesser zwischen etwa 2 μm und etwa 20 μm aufweisen.
  • 2b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Füllstoffteilchens. Zwischen dem Körper 106 und der leitfähigen Beschichtung 102 ist eine Zwischenschicht 104 zur Haftvermittlung vorgesehen. Die Zwischenschicht 104 kann Chrom, Palladium, Titan, Nickel, Gold oder Silber oder eine Kombination der vorgenannten Materialien aufweisen.
  • Die Zwischenschicht 104 kann eine Dicke zwischen etwa 0,5 nm und etwa 2 μm aufweisen.
  • 3 zeigt ein optoelektronisches Bauelement 200 mit einem leitfähigen Verbindungsmittel 204. Das leitfähige Verbindungsmittel 204 weist eine Klebermatrix 202 auf in die die Füllstoffteilchen 100 eingebracht sind. Die Klebermatrix 202 kann Silikon und/oder Polymere, insbesondere Epoxid, Acrylat oder ein Hybrid, aufweisen. Das leitfähige Verbindungsmittel 204 vermittelt den elektrischen und/oder thermischen Kontakt zwischen einem Halbleiterchip 214 und einem Substrat 216. Das leitfähige Verbindungsmittel 204 ist zwischen einer Kontaktschicht 206 auf dem Substrat 216 und der zum Substrat weisenden Fläche des Halbleiterchips 214 angeordnet. Sowohl die Kontaktschicht 206, als auch die zum Substrat weisende Fläche des Halbleiterchips 214 können Gold aufweisen. Typische Dicken für die Kontaktschicht 206 aus Gold liegen zwischen 0,5 μm und 5 μm. Die Dicke des leitfähigen Verbindungsmittels 204 liegt zwischen 1 μm und 10 μm, vorzugsweise zwischen 3 μm und 5 μm. Über die Kontaktschicht 206 und das leitfähige Verbindungsmittel 204 wird einer der beiden elektrischen Kontakte des Halbleiterchips 214 vermittelt. Der zweite elektrische Kontakt des Halbleiterchips 214 wird über ein Kontaktpad 212 realisiert. Das Kontaktpad 212 ist mit dem Bondpad 208 auf dem Substrat 216 über einen Bonddraht 210 verbunden. Das leitfähige Verbindungsmittel 204 vermittelt auch den mechanischen Kontakt zwischen dem Halbleiterchip 214 und der Kontaktschicht 206.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Füllstoffteilchen
    102
    leitfähige Beschichtung
    104
    Zwischenschicht
    106
    Körper
    200
    optoelektronisches Bauelement
    202
    Klebermatrix
    204
    leitfähiges Verbindungsmittel
    206
    Kontaktschicht
    208
    Bondpad
    210
    Bonddraht
    212
    Kontaktpad
    214
    Halbleiterchip
    216
    Substrat

Claims (16)

  1. Leitfähiges Verbindungsmittel (204) mit: einer Klebermatrix (202) und in die Klebermatrix (202) eingebrachten Füllstoffteilchen (100), wobei die Füllstoffteilchen (100) jeweils einen Körper (106) und eine leitfähige Beschichtung (102) aufweisen, die den Körper (106) zumindest Bereichsweise bedeckt, und wobei die Beschichtung (102) korrosionsbeständig ist.
  2. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß Anspruch 1, wobei die leitfähige Beschichtung (102) eine elektrische und/oder eine thermische Leitfähigkeit aufweist.
  3. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die leitfähige Beschichtung (102) Gold und/oder Palladium aufweist.
  4. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die leitfähige Beschichtung (102) eine Dicke zwischen etwa 0,5 μm und etwa 1 μm aufweist.
  5. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Körper (106) eine elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit aufweist.
  6. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Körper (106) Polymere, Graphit und/oder Metalle aufweist.
  7. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß Anspruch 6, wobei der Körper (106) die Metalle Silber und/oder Kupfer aufweist.
  8. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Körper (106) die Form einer Kugel, eines Splitters, einer Flocke, einer Scheibe oder eines Plättchens aufweist.
  9. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei zwischen dem Körper (106) und der leitfähigen Beschichtung (102) eine Zwischenschicht (104) aus Chrom, Palladium, Titan, Nickel, Gold und/oder Silber vorgesehen ist.
  10. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß Anspruch 9, wobei die Zwischenschicht (104) eine Dicke zwischen etwa 0,5 nm und etwa 2 μm aufweist.
  11. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Füllstoffteilchen (100) Durchmesser zwischen etwa 2 μm und etwa 20 μm aufweisen.
  12. Leitfähiges Verbindungsmittel gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Klebermatrix (202) Silikon und/oder Polymere, insbesondere Epoxid, Acrylat oder ein Hybrid, aufweist.
  13. Verfahren zum Herstellen eines leitfähigen Verbindungsmittels (204) mit den Schritten: – Abscheiden einer leitfähigen Beschichtung (102) auf die Oberflächen der Vielzahl von Körpern (106), so dass beschichtete Füllstoffteilchen (100) erzeugt werden, – Einbringen der beschichteten Füllstoffteilchen (100) in eine Klebermatrix (202).
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Abscheiden der leitfähigen Beschichtung (102) ein galvanischer Prozess, ein nasschemischer Prozess oder ein elektrochemischer Prozess, insbesondere ein elektrochemisches Plating, ist.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei vor dem Abscheiden der Beschichtung (102) auf die Oberflächen der Vielzahl von Körpern (106) eine Zwischenschicht (104) auf die Oberflächen der Körper (106) aufgebracht wird.
  16. Optoelektronisches Bauelement (200) mit einem leitfähigen Verbindungsmittel (204) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das leitfähige Verbindungsmittel (204) den elektrischen und/oder thermischen Kontakt zwischen einem Halbleiterchip (214) und einem Substrat (216) herstellt.
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