DE102013103081A1

DE102013103081A1 - Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern und Anordnung von Fügepartnern

Info

Publication number: DE102013103081A1
Application number: DE102013103081.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Plössl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-02
Also published as: KR20150135419A; US9502376B2; JP2016515763A; KR102172348B1; CN105103287A; US20160027759A1; DE112014001708A5; CN105103287B; WO2014154637A1; JP6184582B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern (1, 2) mit den folgenden Schritten angegeben: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (1) und eines zweiten Fügepartners (2), – Aufbringen einer ersten Schichtenfolge (10) auf den ersten Fügepartner (1), – Aufbringen einer zweiten Schichtenfolge (20) auf den zweiten Fügepartner (2), – Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge (10) und der zweiten Schichtenfolge (20) an ihren dem ersten Fügepartner (1) und dem zweiten Fügepartner (2) jeweils abgewandten Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks (p) bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Fügezeit.

Description

Es wird ein Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern angegeben. Weiter wird eine Anordnung von Fügepartnern angegeben.
Die Druckschrift DE 10 2005 029 246 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen einem Träger und einem Halbleiterchip.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Verbinden zweier Fügepartner anzugeben, bei dem eine Verbindung zwischen den Fügepartnern bei einer relativ geringen Temperatur hergestellt werden kann, wobei die derart hergestellte Verbindung besonders temperaturstabil ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden zunächst ein erster Fügepartner und ein zweiter Fügepartner bereitgestellt. Bei den Fügepartnern kann es sich beispielsweise um zumindest eines der folgenden Elemente handeln: Optoelektronischer Halbleiterchip, Wafer optoelektronischer Halbleiterchips, metallischer Leiterrahmen, mit Kunststoff ummantelter metallischer Leiterrahmen, Keramikträger, Leiterplatte (Platine), Halbleiterwafer aus GaAs, Ge oder Si, Keramikwafer aus Si₃N₄ oder AlN oder ähnliches. Beispielsweise kann mit dem Verfahren ein optoelektronischer Halbleiterchip, zum Beispiel ein Leuchtdiodenchip, auf einer Leiterplatte oder einem metallischen Leiterrahmen befestigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf den ersten Fügepartner eine erste Schichtenfolge aufgebracht. Die erste Schichtenfolge umfasst zumindest eine Schicht, die zumindest ein Metall enthält oder aus einem Metall besteht. Das Aufbringen der ersten Schichtenfolge auf den ersten Fügepartner kann beispielsweise durch physikalische Dampfphasenabscheidung wie Sputtern oder Aufdampfen, galvanisch oder durch stromloses Abscheiden erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf den zweiten Fügepartner eine zweite Schichtenfolge aufgebracht. Das Aufbringen der zweiten Schichtenfolge kann mit dem gleichen Verfahren wie das Aufbringen der ersten Schichtenfolge erfolgen. Die erste und die zweite Schichtenfolge können identisch sein. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die erste und die zweite Schichtenfolge hinsichtlich ihres Aufbaus, also der Abfolge der Schichten in der Schichtenabfolge und/oder hinsichtlich der verwendeten Materialien für die Schichten der Schichtenfolge voneinander unterscheiden. Ferner ist es möglich, dass die erste und die zweite Schichtenfolge mit unterschiedlichen Abscheideverfahren erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge und der zweiten Schichtenfolge an ihren dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner jeweils abgewandten Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Fügezeit. Das heißt, die erste Schichtenfolge wird mit ihrer dem ersten Fügepartner abgewandten Stirnfläche mit der dem zweiten Fügepartner abgewandten Stirnfläche der zweiten Schichtenfolge zunächst in Kontakt gebracht. Dann erfolgt ein Zusammenpressen der beiden Schichtenfolgen an den Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Zeitspanne, die Fügezeit. Dabei werden die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge zumindest zum Teil oder vollständig aufgeschmolzen und die Materialien der beiden Schichtenfolgen vermischen sich miteinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens verschmelzen die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge zu einer Verbindungsschicht, die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt. Das heißt, nach der Fügezeit sind die Schichtenfolgen zur Verbindungsschicht zusammengefügt, die sich dann zwischen den beiden Fügepartnern befindet und die eine mechanische Verbindung zwischen den Fügepartnern vermittelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge zumindest eine Schicht, die Silber enthält oder die aus Silber besteht. Beispielsweise kann die erste Schichtenfolge dann auch aus dieser Silberschicht bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht, die Indium und Wismut enthält oder die zweite Schichtenfolge enthält zumindest eine Schicht, die Indium enthält und eine Schicht, die Wismut enthält. Mit anderen Worten enthält die zweite Schichtenfolge zumindest Indium und Wismut als Metalle. Beispielsweise ist es möglich, dass die zweite Schichtenfolge darüber hinaus keine anderen Metalle enthält. Die Metalle Indium und Wismut können in der zweiten Schichtenfolge in einer einzigen gemeinsamen Schicht, zum Beispiel als Indium-Wismut-Legierung, vorkommen. Ferner ist es möglich, dass die zweite Schichtenfolge wenigstens eine Einzelschicht enthält, die aus Indium besteht und eine Einzelschicht, die aus Wismut besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Fügetemperatur, auf die die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge während des Fügens erhitzt werden, höchstens 120 °C. Die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge verschmelzen oder verbinden sich bei dieser Temperatur zur Verbindungsschicht, die dann Silber, Indium und Wismut enthält und erst bei viel höheren Temperaturen ab zirka 260 °C wieder aufschmilzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden von Fügepartnern umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines ersten Fügepartners und eines zweiten Fügepartners,
– Aufbringen einer ersten Schichtenfolge auf den ersten Fügepartner,
– Aufbringen einer zweiten Schichtenfolge auf den zweiten Fügepartner,
– Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge und der zweiten Schichtenfolge an ihren dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner jeweils abgewandten Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Fügezeit, wobei
– die erste Schichtenfolge zumindest eine Schicht umfasst, die Silber enthält oder die aus Silber besteht,
– die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht umfasst, die Indium und Wismut enthält, oder die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht umfasst, die Indium enthält, und eine Schicht, die Wismut enthält,
– die Fügetemperatur höchstens 120 °C beträgt, und
– die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge zu einer Verbindungsschicht verschmelzen, die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt.

Das hier beschriebene Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern macht unter anderem von den folgenden Überlegungen Gebrauch:
Zum Verbinden von Fügepartnern, beispielsweise zur Kombination von Halbleiterbauelementen mit Gehäusen oder Platinen oder bei der Montage von gehäusten elektronischen Bauelementen auf Platinen können Weichlote und das Weichlöten als Verbindungsverfahren Verwendung finden. Um die thermische Belastung für die Fügepartner gering zu halten, sind dabei niedrige Fügetemperaturen angestrebt. Die bekannten Weichlotverfahren basieren dabei beispielsweise auf Sn-Ag-Cu (SaC)-Materialsystemen oder auf Sn-Pb-Materialsystemen.
Bei diesem Weichlotverfahren erstarrt das flüssige Lot beim Abkühlen unterhalb seines Schmelzpunkts. Wenn die Verbindung wieder auf die Temperatur des Schmelzpunktes erwärmt wird, verliert sie ihre Festigkeit. Mehrere Integrationsschritte hintereinander, etwa die Montage eines Halbleiterchips auf eine Keramikplatine und das nachfolgende Auflöten der Keramik auf eine Metallkernplatine können deshalb nicht mit den gleichen Lotsystemen bewerkstelligt werden, ohne die Integrität der zuerst hergestellten Lotverbindung zu gefährden.
Dieses Problem könnte überwunden werden, wenn verschiedene Lotsysteme mit abgestuften Schmelzpunkten zum Einsatz kommen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle der üblichen eutektischen Erstarrung beim Abkühlen eine isotherme Erstarrungsreaktion zu nutzen. Hierbei bildet sich bei konstant gehaltener Fügetemperatur durch Reaktion der Metallschmelze mit einer höher schmelzenden Metallkomponente eine dauerhaft feste Verbindung, deren Schmelzpunkt weit oberhalb der Fügetemperatur liegen kann. Um Verbindungen mit den oben genannten SAC-Legierungen als Verbindungsmittel bei einem nachfolgenden Fügeschritt nicht zu schädigen, können beispielsweise Hybride aus Lot und Klebstoff eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür sind TLPS-Pasten (Transient Liquid Phase Sintering Pastes), die eine bei geringeren Temperaturen schmelzende Bi-SN-Legierung mit Kupfer isotherm erstarren lassen, um ohne eine vorher hergestellte SAC-Verbindung zu gefährden und ohne eine nachfolgende SAC-Verbindung auszuschließen, die Fügepartner zu verbinden. Flussmittel, welche die Reaktivität der unedlen Komponente aus Bi-Sn sicherstellen sollen, sind in die Klebematrix eingebettet.
Eine weitere Alternative stellt das isotherme Erstarren mit Au-Sn als Verbindungsmittel dar, was jedoch einerseits wegen des dazu notwendigen hohen Goldanteils teuer ist und wegen der relativ hohen Schmelzpunkte von Zinn beziehungsweise einer eutektischen Au-Sn-Legierung höhere Prozesstemperaturen erforderlich macht als dies für viele Fügepartner vertretbar ist.
Dem hier beschriebenen Verfahren liegt nun unter anderem die Idee zugrunde, einen isothermen Erstarrungsprozess zu nutzen, der zum einen eine bei geringerer Temperatur schmelzende Komponente als es Sn oder AuSn sind, nutzt und der zum anderen das teure Edelmetall Gold vermeidet. Ferner werden dünne Schichten zur Herstellung der ersten und zweiten Schichtenfolge genutzt, wodurch ein besonders einfaches Aufschmelzen der Schichtenfolgen erfolgen kann.
Als niedrig schmelzende Komponente wird eine Mischung aus Wismut und Indium genutzt. Im System Wismut-Indium kann eine Schmelze bereits deutlich unterhalb von 100 °C gebildet werden. Durch die Zugabe von Silber kann die Schmelztemperatur dann massiv angehoben werden. Eine isotherme Erstarrungsreaktion von Wismut-Indium mit Silber führt bereits bei 100 °C zur Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen Silber und Indium. Damit verarmt Wismut-Indium an Indium und die Schmelztemperatur der Verbindung steigt auf zirka 260 °C, wobei die intermetallischen Silber-Indium-Verbindungen fest bleiben. Die niedrig schmelzende Komponente kann dabei aus einer Wismut-Indium-Legierung bestehen oder sie kann in situ beim Fügeprozess aus der Reaktion reiner Wismutschichten und Indiumschichten miteinander erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Verbindungsschicht Bereiche auf, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche vollständig von einem Material umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Verbindungsschicht besonders stabil ist, insbesondere thermisch stabil ist, wenn nach dem Fügeprozess die Wismut-Komponente der Verbindungsschicht, in der geringe Mengen an Indium und Silber gelöst sein können, keine zusammenhängende, unterbrechungsfreie Schicht bildet.
Insbesondere über die Wahl der Fügezeit kann erreicht werden, dass eine in der ersten oder zweiten Schichtenfolge vorhandene durchgehende Wismutschicht Unterbrechungen bekommt. Die Verbindungsschicht weist dann keine durchgehende Wismutschicht mehr auf, sondern ist frei von einer solchen Schicht, die aus Wismut besteht oder die Verbindungsschicht ist frei von einer einfach zusammenhängenden Schicht, die aus Wismut besteht. Die Wismutschicht kann dann beispielsweise netzartig ausgebildet sein, das heißt sie weist Löcher oder Durchbrüche auf, die mit den anderen Metallen der Schichtenfolgen gefüllt sind. Mit längeren Fügezeiten ist es möglich, dass die vor dem Fügen eventuell in der ersten Schichtenfolge oder der zweiten Schichtenfolge vorhandene Wismutschicht in einzelne Körner zerfällt, die vom Material der anderen Metalle der Schichtenfolgen, also insbesondere Indium und Silber, umgeben sind.
Diese Strukturbeeinflussung kann dabei durch den Fügeprozess oder ergänzend durch einen nachfolgenden Temperschritt, bei dem die Verbindungsschicht nochmals erhitzt wird, bewirkt werden. Aus thermischer und mechanischer Sicht stellen die Wismutkörner, also die Bereiche, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, in einer Matrix aus intermetallischen Verbindungen von Silber und Indium oder in einer Silber-Indium-Legierung mit Silberkörner, in denen Indium gelöst ist, eine besonders günstige Mikrostruktur der Fügezone und damit der Verbindungsschicht dar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt in einer Querschnittsfläche der Verbindungsschicht der Anteil der Querschnittsfläche, der aus Wismut besteht, höchstens 50 %. Die Querschnittsfläche kann sich dabei beispielsweise durch die gesamte Verbindungsschicht hindurch vom ersten Fügepartner zum zweiten Fügepartner erstrecken. Bei der Querschnittsfläche handelt es sich dann um einen beliebigen Schnitt durch die Verbindungsschicht, der beispielsweise senkrecht zur Haupterstreckungsebene der beiden Fügepartner verläuft. In dieser Querschnittsfläche besteht vorzugsweise im Durchschnitt höchstens die Hälfte der Fläche aus Wismut mit dem Rest verteilt auf Silber und Indium und etwaige weitere vorhandene Metalle. Vorzugsweise beträgt der Flächenanteil von Wismut dabei höchstens 30 %, besonders bevorzugt höchstens 15 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Verbindungsschicht elektrisch leitend. Das heißt, die Verbindungsschicht stellt nicht nur eine mechanische Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern dar, sondern die beiden Fügepartner können durch die Verbindungsschicht auch elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Auf diese Weise kann über die Verbindungsschicht beispielsweise ein optoelektronischer Halbleiterchip auf einer Leiterplatte mechanisch befestigt und elektrisch angeschlossen sein. Die elektrisch leitende Verbindung kann insbesondere durch den Silber-Anteil in der Verbindungsschicht hergestellt sein, der die Fügepartner über Pfade, die nicht durch eine zusammenhängende Wismutschicht unterbrochen sind, miteinander verbindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Verbindungsschicht frei von Gold und frei von Flussmitteln. Der Verzicht auf Gold in der Verbindungsschicht führt zu einer besonders kostengünstigen Verbindungsschicht, die bei besonders niedrigen Temperaturen erzeugt werden kann. Die geringe Fügetemperatur, die durch die Wahl einer bei besonders geringen Temperaturen bereits flüssigen Metalllegierung möglich ist, vermindert die thermomechanische Belastung in einem Verbund aus Materialien unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens und schont temperaturempfindliche Stoffe, beispielsweise Kunststoffe auf kunststoffumspritzten Leiterrahmen. Die geringen Kosten der hochschmelzenden Komponente ermöglichen es, das Verfahren auch bei kostenkritischen Produkten einzusetzen.
Da die genannten Metalle in der ersten und in der zweiten Schichtenfolge sehr rein aufgebracht werden können, kann auf die Verwendung von Flussmitteln verzichtet werden. Dadurch ist die Verbindungsschicht frei von Flussmitteln. Damit wird aber auch eine geringe thermische Leitfähigkeit eines Metall-Polymer-Hybrids vermieden. Ferner sind durch den Verzicht auf Flussmittel die Korrosionsrisiken von eingeschlossenen Flussmittelrückständen beziehungsweise die Probleme beim nachträglichen Entfernen der Flussmittelreste und Flussmittelrückstände sowie die damit verbundenen Kosten vermieden.
Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Indium und Silber ist die Verbindungsschicht ferner besonders gut zum Abführen von Verlustwärme geeignet. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass die Verbindungsschicht frei von einer durchgehenden Schicht aus Wismut ist, da Wismut von den genannten Metallen die geringste thermische Leitfähigkeit aufweist. Für eine möglichst gute Entwärmung wird daher der Anteil von Silber in der Verbindungsschicht möglichst hoch und der Anteil von Wismut möglichst gering gewählt. Auch für eine möglichst gute Beständigkeit der Verbindungsschicht bei Temperaturen oberhalb von 260 °C ist der Anteil an Silber möglichst hoch und der Anteil an Wismut möglichst gering zu wählen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge eine Schicht oder eine Abfolge direkt aneinandergrenzender Schichten, wobei die Schicht oder die Abfolge von Schichten ausschließlich Indium und Wismut enthalten, wobei der Stoffmengenanteil von Indium wenigstens 67 at% und höchstens 85 at% beträgt. Optimalerweise beträgt der Stoffmengenanteil von Indium 78,5 at%.
Mit einem solchen Indiumanteil im Bereich der Schichtenfolgen, die aus Indium und Wismut bestehen, kann eine Schmelze dieser Bereiche bereits deutlich unter 100 °C gebildet werden. Eine solche Schmelze bildet sich dann bereits bei einer Temperatur von zirka 73 °C. Durch die Zugabe von Silber aus umliegenden Schichten einer Schichtenfolge oder aus der ersten Schichtenfolge, wenn die Indium-Wismut-Schmelze beispielsweise in der zweiten Schichtenfolge erzeugt wird, kann die Schmelztemperatur dann stark angehoben werden. Eine isotherme Erstarrungsreaktion von Wismut-Indium mit Silber führt bereits bei 100 °C zur Bildung der intermetallischen Verbindungen zwischen Silber und Indium, die zur hohen Temperaturbeständigkeit der Verbindungsschicht führt. Für ein möglichst gutes Schmelzverhalten des Anteils der Schichtenfolgen, der aus Wismut und Indium besteht, ist ein Verhältnis von Wismut zu Indium in diesen Bereichen der Schichtenfolgen von zirka 0,27 optimal.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht, die aus Indium besteht und zumindest eine Schicht, die aus Wismut besteht, wobei die Schicht aus Indium und die Schicht aus Wismut direkt aneinandergrenzen. Das heißt, in diesem Fall liegt die niedrigschmelzende Komponente aus Wismut und Indium nicht in einer Legierung vor, sondern die niedrigschmelzende Komponente wird während des Fügeprozesses aus der Reaktion der unmittelbar aneinandergrenzenden Wismut-Schichten und Indium-Schichten miteinander erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens besteht die zweite Schichtenfolge aus einer Schicht, die mit einer Wismut-Indium-Legierung gebildet ist. In diesem Fall wird die niedrigschmelzende Komponente also direkt als Legierung ausgeführt und nicht in einzelnen voneinander getrennten Wismut-Schichten und Indium-Schichten übereinander abgeschieden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge eine Schicht, die aus Titan besteht und die direkt an eine Schicht aus Indium oder eine Schicht aus Wismut grenzt, wobei die Schicht aus Titan dazu vorgesehen ist, ein Vermischen von Silber mit Indium und/oder Wismut zu verzögern. Beispielsweise kann ein Teil der Schichtenfolge, der Indium und Wismut enthält, durch die Titanschicht während des Aufschmelzens zunächst vom umgebenden Silber freigehalten werden. Erst wenn in der Schichtenfolge eine bestimmte Temperatur erreicht ist, bei der die Einzelschichten aus Indium und Wismut zur niederschmelzenden Komponente reagiert haben, reißt die Schicht aus Titan zum Beispiel auf und erlaubt ein Eindringen von Silber in den Bereich mit Indium und Wismut und damit das isotherme Erstarren zur Bildung der Verbindungsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge eine Abfolge von Schichten aus Indium und Schichten aus Wismut, wobei die Abfolge an ihren Stirnflächen jeweils von einer Schicht aus Titan bedeckt ist. Das heißt, ein Bereich in den Schichtenfolgen, der mit Indium und Wismut gebildet ist, kann durch Titanschichten an beiden Enden vor angrenzendem Silber geschützt sein. Auf diese Weise ist es besonders effizient möglich, das Eindringen von Silber so lange hinauszuzögern, bis die Indium- und Wismut-Schichten ausreichend zur niederschmelzenden Komponente vermischt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist wenigstens die Hälfte der Schichten aus Titan oder jede Schicht aus Titan, die in den Schichtenfolgen zum Einsatz kommt, dabei eine Dicke von höchstens 10 nm auf. Das heißt, zum Schutz der Schichten aus Indium und Wismut sind extrem dünne Titanschichten ausreichend.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht aus Indium dicker als wenigstens die Hälfte der Schichten aus Wismut oder jede Schicht aus Wismut in den Schichtenfolgen, wobei wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht aus Indium eine Dicke von wenigstens 150 nm und höchstens 850 nm aufweist und wenigstens die Hälfte der Schichten aus Wismut oder jede Schicht aus Wismut eine Dicke von wenigstens 50 nm und höchstens 300 nm aufweist. Über die Schichtdicken der Schichten aus Indium und Wismut kann dann der Indiumanteil im System Indium-Wismut eingestellt werden, wobei wie oben beschrieben ein optimaler Indiumanteil zwischen 67 at% und 85 at% angestrebt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind zumindest manche Schichten, insbesondere alle Schichten, der ersten und der zweiten Schichtenfolge mittels wenigstens einer der folgenden Abscheidetechniken erzeugt: physikalische Dampfphasenabscheidung wie Sputtern oder Aufdampfen. Mit diesen Techniken können besonders dünne Schichten zur Herstellung der Schichtenfolgen genutzt werden. Durch die Verwendung der genannten Abscheidetechniken kann eine Oxidation der unedlen Elemente effektiv unterbunden werden und es können besonders reine Schichten aus Indium und Wismut erzeugt werden.
Ferner wird eine Anordnung von Fügepartnern angegeben. Die Anordnung kann dabei mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Das heißt sämtliche für das Verfahren beschriebene Merkmale sind auch für die Anordnung offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anordnung umfasst die Anordnung einen ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner, und eine Verbindungsschicht, die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt, wobei die Verbindungsschicht Bereiche aufweist, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche vollständig von einem Material umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält.
Im Folgenden werden das hier beschriebene Verfahren sowie die hier beschriebene Anordnung anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren näher erläutert.
Die schematischen Schnittdarstellungen der 1, 2, 3, 4, 5 zeigen Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Verfahren.
Die schematische Schnittdarstellung der 6 zeigt eine mittels des hier beschriebenen Verfahrens hergestellte Anordnung von Fügepartnern mit einer Verbindungsschicht.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen 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/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
In der schematischen Schnittdarstellung der 1 ist ein erster Fügepartner 1 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip handeln kann. Mittels dem hier beschriebenen Verfahren wird der erste Fügepartner 1 mit dem zweiten Fügepartner 2, bei dem es sich beispielsweise um einen mit Kunststoff ummantelten Kupferleiterrahmen handeln kann, verbunden. Auf den ersten Fügepartner 1 ist die erste Schichtenfolge 10 aufgebracht, die vorliegend aus einer Silberschicht 11 besteht. Die Silberschicht 11 weist beispielsweise eine Dicke von 1825 nm auf.
Auf dem zweiten Fügepartner 2 ist eine zweite Schichtenfolge 20 aufgebracht, die vorliegend eine 270 nm dicke Wismut-Schicht 22, eine 730 nm dicke Indium-Schicht 23 und eine 135 nm dicke Silberschicht 25 umfasst. Die erste Schichtenfolge 10 und die zweite Schichtenfolge 20 werden an ihren dem ersten Fügepartner 1 und dem zweiten Fügepartner 2 jeweils abgewandten Stirnflächen unter dem Druck p zusammengepresst, wobei die Anordnung bei einer Fügetemperatur von 100 °C für 0,5 s zusammengedrückt wird. Die einander zugewandten Silberschichten 11, 25 bilden insbesondere bei schwefelfreier Atmosphäre einen ausreichenden Schutz vor Oxidation und Anlaufen der Fügefläche, an der die beiden Schichtenfolgen miteinander verbunden werden. Nach Ablauf der Fügezeit hat sich aus der vorübergehend gebildeten Wismut-Indium-Schmelze festes Silber-Indium und Wismut gebildet.
In Verbindung mit der 2 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf den ersten Fügepartner 1 die erste Schichtenfolge 10 mit einer 2560 nm dicken Silberschicht 11, einer 161 nm dicken Wismut-Schicht 12, einer 804 nm dicken Indium-Schicht 13, einer 147 nm dicken Wismut-Schicht 14 und einer 74 nm dicken Silberschicht 15 aufgesputtert ist. Auf den zweiten Fügepartner 2 ist die zweite Schichtenfolge 20 mit der gleichen Abfolge von Schichten wie folgt aufgebracht: eine 2560 nm dicke Silberschicht 21, eine 161 nm dicke Wismut-Schicht 22, eine 804 nm dicke Indium-Schicht 23, eine 147 nm dicke Wismut-Schicht 24 und eine 74 nm dicke Silberschicht 25.
Nach dem stirnseitigen Zusammenführen der Schichtenfolgen werden die Fügepartner 1, 2 für eine Fügezeit von zirka 5 Minuten bei einer Fügetemperatur von 85 °C und einem Fügedruck von 2,5 bar miteinander verbunden. Bei den Fügepartnern 1, 2 handelt es sich beispielsweise um eine Keramikplatine und eine Metallkernplatine.
In Verbindung mit der 3 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem als erster Fügepartner 1 eine Halbleiterscheibe aus GaAs und als zweiter Fügepartner 2 eine Keramikscheibe aus Si₃N₄ oder AlN Verwendung findet. Auf den ersten Fügepartner 1 wird elektrochemisch eine 511 nm dicke Silberschicht 11 abgeschieden, welche die erste Schichtenfolge bildet. Die zweite Schichtenfolge 20 auf dem zweiten Fügepartner 2 umfasst eine 428 nm dicke Indium-Schicht 23, eine 72 nm dicke Wismut-Schicht 24 und eine 190 nm dicke Silberschicht 25, die jeweils durch Aufdampfen aufgebracht werden. Bei einer Fügetemperatur von 115 °C und einem Fügedruck von 10 bar werden die beiden Fügepartner 1, 2 für 120 Minuten zusammengepresst und auf diese Weise miteinander verbunden.
In Verbindung mit der 4 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf den ersten Fügepartner 1 als erste Schichtenfolge 10 eine 1775 nm dicke Silberschicht aufgebracht ist. Auf den zweiten Fügepartner 2 wird als zweite Schichtenfolge 20 die Indium-Wismut-Schicht 29 aufgebracht. Die Indium-Wismut-Schicht 29 besteht aus einer Indium-Wismut-Legierung mit 33,3 Masseprozent Wismut, die durch Sputtern oder Plasmasprühen aufgebracht ist und die eine Dicke von 775 nm aufweist. Vor dem Fügen werden die Stirnflächen der ersten Schichtenfolge 10 und der zweiten Schichtenfolge 20, die dem jeweiligen Fügepartner abgewandt liegen, nasschemisch beispielsweise mit einer wässrigen Lösung von Ameisensäure gereinigt. Anschließend erfolgt ein Verbinden bei einem Fügedruck von 15 bar und einer Fügetemperatur von 95 °C über eine Fügezeit von 30 Minuten.
In Verbindung mit der 5 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf dem ersten Fügepartner als erste Schichtenfolge 10 eine Silberschicht 11 mit einer Dicke von wenigstens 160 nm und höchstens 1500 nm, zum Beispiel 1350 nm aufgebracht wird.
Auf den zweiten Fügepartner 2 wird über eine 1000 nm dicke Silberschicht 21 ein Schichtstapel aus fünf Paaren von jeweils 187 nm dicker Indium-Schicht 23 und 63 nm dicker Wismut-Schicht 24 aufgedampft, der separiert durch eine 8 nm dicke Titanschicht 26 von einer 260 nm dicken Silberschicht 25 abgedeckt wird. Die Titanschicht 26 schützt dabei vor einem vorzeitigen Durchmischen von Wismut beziehungsweise Indium einerseits und Silber andererseits. Eine solche Titanschicht kann auch zwischen der Silberschicht 21 und dem Schichtenstapel aus Indium und Wismut eingebracht werden. Ferner ist es möglich, eine solche Titanschicht auch zwischen jedes Paar von Indium- und Wismut-Schichten einzubringen, wenn eine Durchmischung besonders lange hinausgezögert werden soll.
In Verbindung mit der 6 ist die Verbindung von erstem Fügepartner 1 und zweitem Fügepartner 2 durch die Verbindungsschicht 30 zu einer hier beschriebenen Anordnung von Fügepartnern gezeigt, die durch ein hier beschriebenes Verfahren erzeugt ist. Die Verbindungsschicht 30 umfasst Bereiche 32, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen. Beispielsweise handelt es sich bei den Bereichen 32 um Wismutkörner, in denen geringe Mengen von Silber und/oder Indium gelöst sein können. Die Wismutbereiche 32 sind allseitig von dem Material 31, das Silber und Indium enthält, umgeben. Der Flächenanteil der Bereiche aus Wismut beträgt im gezeigten Querschnitt dabei vorzugsweise höchstens 15 %.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005029246 [0002]

Claims

Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern (1, 2) mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (1) und eines zweiten Fügepartners (2), – Aufbringen einer ersten Schichtenfolge (10) auf den ersten Fügepartner (1), – Aufbringen einer zweiten Schichtenfolge (20) auf den zweiten Fügepartner (2), – Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge (10) und der zweiten Schichtenfolge (20) an ihren dem ersten Fügepartner (1) und dem zweiten Fügepartner (2) jeweils abgewandten Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks (p) bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Fügezeit, wobei – die erste Schichtenfolge (10) zumindest eine Schicht (11, 15) umfasst, die Silber enthält oder die aus Silber besteht, – die zweite Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht (29) umfasst, die Indium und Wismut enthält, oder die zweite Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht (23) umfasst, die Indium enthält, und eine Schicht, die Wismut (22, 24) enthält, – die Fügetemperatur höchstens 120 °C beträgt, und – die erste Schichtenfolge (10) und die zweite Schichtenfolge (20) zu einer Verbindungsschicht (30) verschmelzen, die direkt an den ersten Fügepartner (1) und den zweiten Fügepartner (2) grenzt.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Verbindungsschicht (30) Bereiche (32) aufweist, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche (32) vollständig von einem Material (31) umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbindungsschicht (30) frei von einer Schicht ist, die aus Wismut besteht oder wobei die Verbindungsschicht (30) frei von einer einfach zusammenhängenden Schicht ist, die aus Wismut besteht.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Verbindungsschicht (30) elektrisch leitend ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Verbindungsschicht (30) frei von Gold und frei von Flussmitteln ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei in einer Querschnittsfläche der Verbindungsschicht (30) der Anteil der Querschnittsfläche, der aus Wismut besteht, höchstens 50 % beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite Schichtenfolge (10) eine Schicht oder eine Abfolge direkt aneinandergrenzender Schichten umfasst, wobei die Schicht oder die Abfolge von Schichten ausschließlich Indium und Wismut enthalten, wobei der Stoffmengenanteil von Indium wenigstens 67 at% und höchstens 85 at% beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht umfasst, die aus Indium besteht und zumindest eine Schicht, die aus Wismut besteht, wobei die Schicht aus Indium und die Schicht aus Wismut direkt aneinander grenzen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Schichtenfolge (20) aus einer Schicht (29) besteht, die mit einer Wismut-Indium-Legierung gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht (26) umfasst, die aus Titan besteht und die direkt an eine Schicht (24) aus Indium oder eine Schicht (23) aus Wismut grenzt, wobei die Schicht (26) aus Titan dazu vorgesehen ist, ein Vermischen von Silber mit Indium und/oder Wismut zu verzögern.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite Schichtenfolge (20) eine Abfolge von Schichten (13, 23) aus Indium und Schichten (12, 14, 22, 24) aus Wismut umfasst, wobei die Abfolge an ihren Stirnflächen jeweils von einer Schicht aus Titan bedeckt ist.
Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei jede Schicht (29) aus Titan eine Dicke von höchstens 10 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht aus Indium (13, 23) dicker ist als wenigstens die Hälfte der Schichten aus Wismut oder jede Schicht aus Wismut (12, 14, 22, 24), wobei wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht (13, 23) aus Indium eine Dicke von wenigstens 150 nm und höchstens 850 nm aufweist und die Hälfte der Schichten aus Wismut oder jede Schicht aus Wismut (12, 14, 22, 24) eine Dicke von wenigstens 50 nm und höchstens 300 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest manche Schichten der ersten und der zweiten Schichtenfolge mittels einer der folgenden Abscheide-Techniken erzeugt werden: physikalische Dampfphasenabscheidung, galvanisch Abscheiden, stromloses Abscheiden.
Anordnung von Fügepartnern mit – einem ersten Fügepartner (1) und einem zweiten Fügepartner (2), und – einer Verbindungsschicht (30), die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt, wobei – die Verbindungsschicht (30) Bereiche (32) aufweist, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche (32) vollständig von einem Material (31) umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält.
Anordnung von Fügepartnern nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Verbindungsschicht (30) frei von einer Schicht ist, die aus Wismut besteht oder wobei die Verbindungsschicht (30) frei von einer einfach zusammenhängenden Schicht ist, die aus Wismut besteht.
Anordnung von Fügepartnern nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, bei der in einer Querschnittsfläche der Verbindungsschicht (30) der Anteil der Querschnittsfläche, der aus Wismut besteht, höchstens 50 % beträgt.