DE102015120773A1

DE102015120773A1 - Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements

Info

Publication number: DE102015120773A1
Application number: DE102015120773.7A
Authority: DE
Inventors: Mathias Wendt
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2017093142A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement (100) aufweisend eine erste Komponente (1), eine zweite Komponente(2), ein Verbindungselement (3), das zwischen der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (3) zumindest eine erste Phase (31) aufweist, wobei die erste Phase (31) Silber (Me5) und mindestens vier weitere Metalle (Me1, Me2, Me3, Me4) aufweist, wobei die Metalle voneinander verschieden sind und geeignet sind, bei einer Verarbeitungstemperatur von kleiner 200 °C zu reagieren, so dass ein thermomechanisch stabiles Verbindungselement (3) erzeugt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements.
Das Verbinden oder Anbinden von zumindest zwei Komponenten, insbesondere mit Hilfe einer Lotmetallschicht, stellt eine Herausforderdung dar, insbesondere wenn beide Komponenten einen stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Komponenten mit stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten erzeugen beim Abkühlen von der Fügetemperatur im Verbund eine starke Durchbiegung, insbesondere bei Einsatz von hohen Fügetemperaturen, was zu Problemen in der Herstellung und zum Bruch der Komponenten als auch zum Verlust der Funktionsfähigkeit der Komponenten führen kann. Um dieses Problem zu lösen, wurden bisher in der Regel zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wurden Komponenten, beispielsweise Substrate, mit ähnlichem thermischem Ausdehnungsverhalten genutzt, damit sich der Komponentenverbund nach dem Fügeverfahren trotz einer hohen Fixiertemperatur nur geringfügig krümmt. Zum anderen versucht man, die Fixiertemperatur durch Verwendung von niederschmelzenden Metallen, zum Beispiel Indium oder Indium-Gold und deren isothermen Erstarrungstemperaturen bei milden Temperaturen abzusenken. Allerdings reicht die Verminderung der Durchbiegung in vielen praktischen Fällen nicht aus. Zudem kann in einem AuIn-System die Bildung einer spröden AuIn₂-Phase oft nur unzureichend unterdrückt werden. So hergestellte Verbindungsschichten weisen oft eine niedrige Bruchzähigkeit auf und verhalten sich spröde, was das Bauteil negativ beeinflussen kann und zum Verlust der Funktionsfähigkeit der Komponenten führen kann.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauelement bereitzustellen, das stabil und/oder leicht herstellbar ist. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements bereitzustellen, das leicht und/oder kostengünstig durchführbar ist.
Die Aufgaben werden durch ein Bauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 15.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine erste Komponente, eine zweite Komponente und ein Verbindungselement auf. Das Verbindungselement ist zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente, vorzugsweise in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt zur ersten und zweiten Komponente, angeordnet. Das Verbindungselement weist zumindest eine erste Phase auf oder besteht daraus. Die erste Phase weist Silber und mindestens vier weitere Metalle auf oder besteht daraus. Die Metalle sind voneinander verschieden. Die Metalle sind geeignet, bei einer Verarbeitungstemperatur von 200 °C zu reagieren, sodass ein thermomechanisch stabiles Verbindungselement erzeugt ist oder wird.
"Reagieren" meint insbesondere, dass die Metalle chemisch reagieren, also insbesondere eine Metalllegierung (Lotsystem), bilden.
"Thermomechanisch stabil" meint hier und im Folgenden, dass das Verbindungselement bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C sowohl mechanisch als auch thermisch stabil ist und seine Zusammensetzung nicht ändert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine erste Komponente und/oder eine zweite Komponente auf. Die erste Komponente und/oder die zweite Komponente können aus einer verschiedenen Anzahl von Materialien und Elementen gewählt sein. Die erste und/oder zweite Komponente können beispielsweise jeweils aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Saphir, Siliziumnitrid, ein Halbleitermaterial, ein keramisches Material, ein Metall und/oder Glas umfasst.
Zum Beispiel kann eine der beiden Komponenten ein Halbleiter- oder Keramikwafer, zum Beispiel ein geformtes Material aus Saphir, Silizium, Germanium, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, einer lumineszierenden Keramik, wie zum Beispiel YAG, sein. Ferner ist es möglich, dass zumindest eine Komponente als Printed Circuit Board (PCB), als metallischer Leiterrahmen oder als eine andere Art von Verbindungsträger ausgeformt ist. Ferner kann zumindest einer der Komponenten, beispielsweise einen elektronischen Chip, einen optoelektronischen Chip, eine lichtemittierende Leuchtdiode, einen Laserchip, einen Fotodetektorchip oder einen Wafer umfassen oder eine Mehrzahl von solchen Chips aufweisen.
Insbesondere umfasst die zweite Komponente und/oder die erste Komponente eine lichtemittierende Leuchtdiode, kurz LED.
Insbesondere umfasst die zweite Komponente die lichtemittierende Leuchtdiode und die erste Komponente zumindest eines der oben genannten Materialien.
Die eine lichtemittierende Leuchtdiode umfassende Komponente ist bevorzugt dazu eingerichtet, blaues Licht oder weißes Licht zu emittieren. Alternativ kann die eine lichtemittierende Leuchtdiode umfassende Komponente auch andere Farben, beispielsweise Rot, Orange oder Strahlung aus dem IR-Bereich, emittieren.
Die lichtemittierende Leuchtdiode umfasst zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der optoelektronische Halbleiterchip kann eine Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Es werden beispielsweise Verbindungen aus den Elementen verwendet, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silicium, Kohlenstoff und Kombination daraus gewählt sein können. Es können aber auch andere Elemente und Zusätze verwendet werden. Die Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich kann beispielsweise auf Nitridverbindungshalbleitermaterialien basieren. "Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN, aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb der LED oder des Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 und 800 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 und 480 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheidet sich die erste Komponente von der zweiten Komponente in Bezug auf ihre Zusammensetzung. Beispielsweise weist die erste und die zweite Komponente einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Mit anderen Worten weist das Bauelement zwei Komponenten auf, die sich zumindest in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Komponente einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α1 auf. Die zweite Komponente weist einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α2 auf. Insbesondere ist der erste thermische Ausdehnungskoeffizient α1 von dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizient α2 verschieden. Insbesondere unterscheiden sich beide thermischen Ausdehnungskoeffizienten um mindestens den Faktor 3, 2, 1 oder 1,5. Alternativ kann α1 = α2 sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement ein Verbindungselement auf. Das Verbindungselement ist zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet. Mit anderen Worten verbindet das Verbindungselement die erste und die zweite Komponente miteinander. Beispielsweise kann das Verbindungselement eine mechanische Verbindung der ersten Komponente und der zweiten Komponente sein. Ferner kann auch eine elektrische Verbindung der ersten Komponente mit der zweiten Komponente über das Verbindungselement erfolgen. Insbesondere ist das Verbindungselement in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt zur ersten Komponente als auch zur zweiten Komponente angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verbindungselement eine Verbindungsschicht oder weist eine Mehrzahl von Verbindungsschichten auf.
Das Verbindungselement umfasst mindestens eine Phase oder besteht daraus. Insbesondere umfasst das Verbindungselement zumindest zwei Phasen, eine erste Phase und eine zweite Phase. Insbesondere besteht das Verbindungselement aus der ersten Phase und der zweiten Phase. Das Verbindungselement kann aber auch mehr als zwei Phasen, beispielsweise drei, vier oder fünf Phasen, aufweisen. Das Verbindungselement kann auch mehrere erste Phasen und/oder mehrere zweite Phasen aufweisen. Insbesondere sind die mehreren ersten Phasen voneinander räumlich getrennt. Beispielsweise können zwei erste Phasen durch eine zweite Phase räumlich voneinander beabstandet sein. Die zumindest erste Phase und/oder die zumindest zweite Phase unterscheiden sich zumindest in ihrer chemischen Zusammensetzung. Besteht beispielsweise das Verbindungselement aus drei Phasen, so können zwei identische erste Phasen und eine zweite Phase vorliegen, die die zwei identischen ersten Phasen voneinander separiert und eine verschieden chemische Zusammensetzung aufweist.
Die jeweiligen Phasen können auch Unterphasen bilden. Insbesondere bilden die Unterphasen keine einheitliche Schicht aus. Insbesondere besteht jede Phase aus verschiedenen Körnern, deren Zusammensetzung sich in dem angegebenen Bereich befindet. Allerdings kann die Zusammensetzung von Korn zu Korn verschieden sein. Es bildet sich damit eine Unterphase innerhalb der ersten und/oder zweiten Phase aus, die keine Schicht mit einer homogenen Schichtdicke aufweist.
Mit "Phase" ist hier ein Bereich des Verbindungselements gemeint, in dem ähnliche oder gleiche physikalische Eigenschaften, beispielsweise der Schmelzpunkt, vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zumindest erste Phase und/oder die zumindest zweite Phase oder weitere andere Phasen eine unterschiedliche Art von Metallen auf. Insbesondere weisen die erste und/oder zweite Phase mindestens drei oder mindestens fünf Metalle auf. Dabei ist zumindest ein Metall Silber.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist das Verbindungselement neben Silber vier weitere Metalle auf. Die vier weiteren Metalle sind ein erstes Metall, ein zweites Metall, ein drittes Metall und ein viertes Metall. Das erste Metall kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Nickel, Platin und Palladium umfasst. Vorzugsweise ist das erste Metall Nickel. Das zweite Metall kann Indium sein. Das dritte Metall kann Zinn sein. Das vierte Metall kann Gold sein. Insbesondere unterscheiden sich die Anteile der entsprechenden Metalle innerhalb der entsprechenden Phasen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anteil an Silber in der ersten Phase maximal 12 Gew%. Alternativ oder zusätzlich ist der Anteil an Silber in der zweiten Phase maximal 7 Gew%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anteil an Silber in der ersten Phase maximal 5 Gew %. Alternativ oder zusätzlich ist der Anteil an Silber in der zweiten Phase maximal 2 Gew%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration des ersten Metalls, insbesondere Nickel, in der ersten Phase zwischen 10 und 35 Gew%, bevorzugt zwischen 28 und 32 Gew%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase kleiner als 5 Gew% oder 10 Gew%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration des zweiten Metalls, insbesondere Indium, in der ersten Phase zwischen einschließlich 5 Gew% und einschließlich 35 Gew% oder 30 Gew%, insbesondere zwischen einschließlich 25 Gew% und einschließlich 35 Gew%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration des zweiten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 30 und einschließlich 50 Gew%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration des dritten Metalls, insbesondere Zinn, in der ersten Phase zwischen einschließlich 15 Gew% oder 20 Gew% und einschließlich 50 Gew%, bevorzugt zwischen einschließlich 16 Gew% und einschließlich 26 Gew%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration des dritten Metalls in der zweiten Phase kleiner als 5 Gew%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration des vierten Metalls, insbesondere Gold, in der ersten Phase zwischen einschließlich 5 Gew% und einschließlich 15 Gew%, bevorzugt zwischen einschließlich 8 Gew% und einschließlich 12 Gew%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration des vierten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 20 Gew% und einschließlich 50 Gew%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste und/oder zweite Phase ein quintäres System. Mit anderen Worten bestehen dann die erste und/oder die zweite Phase aus fünf Metallen.
Die oben genannten Anteile der Metalle in der ersten und/oder zweiten Phase können beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Konzentrationen des ersten Metalls in der ersten Phase mit den Konzentrationen des zweiten Metalls in der ersten Phase und mit den Konzentrationen des dritten Metalls in der ersten Phase und mit den Konzentrationen des vierten Metalls in der ersten Phase und mit den Konzentrationen des Silbers, also des fünften Metalls, in der ersten Phase beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Konzentrationen des ersten Metalls in der zweiten Phase, des zweiten Metalls in der zweiten Phase, des dritten Metalls in der zweiten Phase, des vierten Metalls in der zweiten Phase und des Silbers in der zweiten Phase beliebig miteinander kombiniert werden.
Die erste Phase kann eine Zusammensetzung Me1_xMe2_yMe3_zMe4_rMe5_s mit 0,10 ≤ x ≤ 0,35; 0,05 ≤ y ≤ 0,35; 0,15 ≤ z ≤ 0,50; 0,05 ≤ r ≤ 0,15 und s ≤ 0,12 aufweisen, beispielsweise Me1_0,32Me2_0,30Me3₀,₂₁Me4₀,₁₂Me5_0,05.
Die zweite Phase kann eine Zusammensetzung Me1_aMe2_bMe3_cMe4_dMe5_e mit a ≤ 0,10; 0,30 ≤ b ≤ 0,50; c ≤ 0,10; 0,20 ≤ d ≤ 0,50 und e ≤ 0,07 aufweisen, beispielsweise Me1_0,05Me2_0,49Me3_0,04Me4_0,40Me5_0,02.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Phase und/oder die zweite Phase jeweils als Schicht ausgeformt. Die Schicht kann insbesondere eine Schichtdicke von 30 nm bis 10000 nm, beispielsweise 100 nm bis 2000 nm, aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Phase und die zweite Phase als Schichtsystem, insbesondere in Seitenansicht als vertikal gestapelte Schichten, ausgeformt. Insbesondere sind die Schichten in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt zueinander angeordnet. Die zweite Phase weist insbesondere Silber und mindestens zwei weitere Metalle auf oder besteht daraus, die auch in der ersten Phase vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verbindungselement zwei erste Phasen und eine zweite Phase auf oder besteht daraus. Die ersten Phasen und die zweite Phase sind jeweils als Schicht ausgeformt. Die zweite Phase ist dabei zwischen den beiden ersten Phasen, insbesondere in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt, angeordnet. Der Anteil an Silber in der ersten Phase ist insbesondere größer oder gleich als der Anteil an Silber in der jeweiligen zweiten Phase.
Insbesondere bilden die entsprechenden Metalle in den entsprechenden Phasen eine Legierung. Das Verbindungselement bildet insbesondere ein Lotsystem aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verbindungselement frei von Cadmium, Antimon, Bismut, Blei und/oder Kupfer. Mit anderen Worten weist das Verbindungselement keine Anteile an Cadmium, Antimon, Bismut, Blei und/oder Kupfer auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Metall, das zweite Metall, das dritte Metall und das vierte Metall und Silber dazu geeignet, sich bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C, insbesondere kleiner als 180 °C, zu mischen oder zu reagieren. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das zweite Metall und das dritte Metall bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C in den flüssigen Aggregatszustand übergehen und mit einem festen ersten Metall und vierten Metall und Silber reagieren. Es resultiert daraus eine erste Phase und/oder eine zweite Phase, die eine unterschiedliche Konzentrationszusammensetzung der entsprechenden Metalle aufweist.
Die Konzentrationen der Metalle in der entsprechenden Phase können mittels EDX (englisch: Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) bestimmt werden, die eine Fehlertoleranz von maximal 5 %, insbesondere maximal 2 %, aufweisen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das erste Metall einen Schmelzpunkt > 1400 °C auf. Das zweite Metall weist einen Schmelzpunkt von kleiner als 180 °C auf. Das dritte Metall weist einen Schmelzpunkt von < 250 °C auf. Das vierte Metall weist einen Schmelzpunkt von < 1100 °C auf. Das fünfte Metall, insbesondere Silber, weist einen Schmelzpunkt von < 1000 °C auf. Insbesondere bilden zumindest das zweite und das dritte Metall ein eutektisches Gemisch bei einem Schmelzpunkt von kleiner als 120 °C, insbesondere kleiner als 118 °C.
Beispielsweise kann Nickel mit einem Schmelzpunkt von 1455 °C, Platin mit einem Schmelzpunkt von 1768 °C und/oder Palladium mit einem Schmelzpunkt von 1555 °C als erstes Metall verwendet werden. Beispielsweise kann Indium mit einer Schmelztemperatur von 156 °C als zweites Metall verwendet werden. Beispielsweise kann Zinn mit einem Schmelzpunkt von 231 °C als drittes Metall verwendet werden. Beispielsweise kann Gold mit einem Schmelzpunkt von 1064 °C als viertes Metall verwendet werden. Beispielsweise kann Silber mit einem Schmelzpunkt von 961,78 °C als fünftes Metall verwendet werden.
Insbesondere bilden das zweite und das dritte Metall ein eutektisches Gemisch mit einer Schmelztemperatur zwischen 115 °C und 118 °C. Ist beispielsweise als zweites und drittes Metall Indium und Zinn gewählt, so weist Indium mit einem Anteil von 52 Atom% und Zinn mit einem Anteil von 48 Atom% ein Eutektikum bei einer Schmelztemperatur von 117,5 °C +/– 0,5 °C auf. Die Kombination des zweiten Metalls mit dem dritten Metall mit einem geringen Schmelzpunkt zeigt den Vorteil, dass das Verbindungselement bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen erzeugt wird und damit ein Verbund von zumindest zwei Komponenten mit unterschiedlich großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen erzeugbar ist.
Das vierte Metall, wie Gold, kann insbesondere sich in die Atomgitter der ersten und/oder zweiten Phase einlagern. Gold kann die Oxidation der Metallschichten des ersten, zweiten, dritten und/oder fünften Metalls verhindern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberfläche der ersten Phasenschicht und/oder der zweiten Phasenschicht wellenförmig ausgeformt. Insbesondere sind die aneinandergrenzenden Oberflächen der ersten und zweiten Phasenschichten wellenförmig ausgeformt. Mit anderen Worten ist die Oberfläche der jeweiligen Phasenschicht nicht planar, sondern die Phasenschichten verzahnen sich ineinander aufgrund ihrer wellenförmigen Ausformung. Die wellenförmige Ausgestaltung kann insbesondere durch Körner unterschiedlicher Größe erzeugt werden.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen ersten Phase des Verbindungselements ein Verbinden der ersten und zweiten Komponente, beispielsweise das Bonden von Wafern mit stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bei milden Temperaturen, ermöglicht werden kann, sodass diese Komponenten nach dem Verbinden eine geringe Durchbiegung aufweisen. Zudem zeigt das erfindungsgemäße Verbindungselement eine thermomechanische Stabilität, sodass das Bauelement auch für Folgeprozesse und für den Betrieb des Bauelements hervorragend geeignet ist. Insbesondere sind die Temperaturstabilität sowie die Wiederaufschmelzungstemperatur des erfindungsgemäßen Verbindungselements durch die Verwendung von Silber deutlich heraufgesetzt. Es entsteht ein Verbindungselement, welches bei ähnlich niedrigen Temperaturen ausgebildet wird, jedoch erst nach dem Bonden eine höhere Temperaturstabilität für Folgeprozesse aufweist. Das Verbindungselement ist dazu eingerichtet, bei niedrigen Temperaturen zu fixieren und an dieser Stelle bereits eine temperaturstabile Verbindung auszubilden. Eine Abreaktion in einem weiteren Temperaturschritt ist nicht zwingend notwendig, um eine thermomechanisch stabile Schichtenfolge zu erhalten.
Bei diesem Verbindungselement werden insbesondere die Metalle Indium und Zinn und ihre Reaktion mit Silber, Gold und Nickel genutzt. Die Metalle reagieren im Temperaturbereich des Schmelzpunktes von Indium und bilden eine für die Herstellung von insbesondere Dünnfilm-LEDs ausreichend temperaturstabile Verbindung aus. Der endgültige Schichtenstapel besteht aus intermetallischen Verbindungsschichten, welche in Teilbereichen unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können. Ein Ausweichen auf teure Substrate mit angepassten thermischen Ausdehnungsverhalten wird daher vermieden, da das hier vorgeschlagene Verbindungselement das Fügen von Komponenten bei ausreichend milden Temperaturen erlaubt. Damit wird der sogenannte Bimetalleffekt auf einen für die Halbleiterfertigung hinreichend geringen Wert begrenzt. Thermisch und elektrisch gut leitfähige und zu relativ geringen Kosten verfügbare Siliziumscheiben können somit trotz ihrer geringen thermischen Ausdehnung etwa mit Saphirscheiben mit hoher thermische Ausdehnung verbunden oder gefügt werden, ohne dass es in der Halbleiterfertigung zu Ausbeuteverluste durch Scheibenbruch sowie Bestückungsprobleme bei Anlagen oder Horden nach sich zieht und ohne das eine langfristige Produktzuverlässigkeit aufs Spiel gesetzt werden muss.
Werden beispielsweise zwei Komponenten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei erhöhter Temperatur planar aufeinander fixiert und anschließend abgekühlt, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Kontraktion der beiden Komponenten, beispielsweise von Wafern, eine Verbiegung des Bauelements. Dieser Effekt ist mit dem eines Bimetallstreifens vergleichbar. Diese entstandene mechanische Verspannung resultiert aufgrund der unterschiedlichen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Komponente. Diese tragen ferner zu einer internen Verspannung in dem restlichen Bauelement bei. Die Durchbiegung (englisch: bow) des Bauelements kann sich sowohl bei der Herstellung als auch auf die Bauelementlebensdauer negativ auswirken. Beispielsweise können die Komponenten in dem Bauelement auch ihre Funktionalität verlieren oder während der Herstellung brechen. Damit entstehen hohe Ausbeuteverluste.
Durch das erfindungsgemäße Verbindungselement wird die Verwendung von kostengünstigen Komponenten, beispielsweise Substraten mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, durch die starke Herabsetzung der Verarbeitungstemperatur ermöglicht, ohne dass sich eine zu hohe Durchbiegung der Komponenten einstellt. Somit kann beispielsweise eine Komponente aus Silizium, Quarz-Glas oder Siliziumnitrid mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Si: 2,6·10^–6 K^–1, Quarz-Glas: 0,54·10^–6K^–1, Si3N4: 1,2·10^–6K^–1) mit einer Komponente aus Saphir (6,1·10^–6K^–1) oder GaAs, welche einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, in dem Bauelement miteinander verbunden werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Durchbiegung kommt. Das Auftreten des Komponentenbruchs wird durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbindungselements vermieden oder verringert.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements angegeben. Das Verfahren zur Herstellung des Bauelements stellt vorzugsweise das Bauelement her. Das heißt sämtliche für das Verfahren offenbarten Merkmale sind auch für das Bauelement offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf:

A) Bereitstellen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente,
B) Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem ersten Metall, Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem zweiten Metall, Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem dritten Metall, Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem vierten Metall und Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem fünften Metall, insbesondere Silber, auf die erste und/oder zweite Komponente. Die Metalle sind dabei insbesondere voneinander verschieden.
C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf maximal 200 °C oder 180 °C zur Ausbildung eines Verbindungselements aufweisend zumindest eine erste Phase, die mindestens Silber und vier weitere Metalle aufweist, wobei die erste und zweite Komponente miteinander verbunden werden und zusammen mit dem Verbindungselement eine thermodynamisch und mechanische oder thermomechanisch stabile Anordnung bilden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das mit dem Verfahren hergestellte Verbindungselements zumindest oder genau zwei Phasen auf, wobei eine Phase mindestens Silber und vier weitere Metalle aufweist.
Bevorzugt müssen die Schritte A) bis C) nicht unmittelbar aufeinanderfolgen. Es sind zwischen den Schritten A) bis C) weitere Prozessschritte möglich.
Mit "thermodynamisch und mechanisch stabil oder mit thermomechanisch stabil" wird hier und im Folgenden verstanden, dass das erste Metall sich mit dem zweiten Metall, dem dritten Metall, dem vierten Metall und Silber als fünftes Metall soweit vermischt, dass sich die erste und/oder zweite Phase nicht weiter mit dem ersten Metall anreichern und die erste und/oder zweite Phase einen festen Aggregatszustand aufweisen. Insbesondere weisen dann zumindest nach Schritt C) die erste und/oder zweite Phase eine Aufschmelztemperatur auf, die sich von der Aufschmelztemperatur oder Fügetemperatur der ersten und/oder zweiten Phase während Schritt C) unterscheiden. Vor Schritt C) existiert insbesondere die erste und/oder zweite Phase nicht, da sie da erst gebildet werden. Insbesondere ist die Wiederaufschmelztemperatur der ersten und/oder zweiten Phase nach Schritt C) größer als die Fügetemperatur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet das Verbindungselement zumindest nach Schritt C) eine feste Verbindung zu der ersten Komponente und der zweiten Komponente aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verfahren frei von einem weiteren Heizschritt, der beispielsweise als Schritt D) bezeichnet werden kann und nach Schritt C) erfolgt, bei dem die unter Schritt C) erzeugte Anordnung auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 400 °C erhitzt wird. Mit anderen Worten muss das Verfahren zur Herstellung eines Bauelements lediglich einen Temperaturschritt, insbesondere den Schritt C), aufweisen. Das heißt weitere Temperaturschritte, insbesondere Temperaturschritte bei Temperaturen von > 200 °C, sind nicht erforderlich, um das Verbindungselement vollständig abreagieren zu lassen.
Das Verfahren ermöglicht die Verbindung einer ersten und einer zweiten Komponente durch ein Verbindungselement, wobei die beiden Komponenten insbesondere einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das erlaubt die Verwendung von kostengünstigeren Materialien für die erste und/oder zweite Komponente zur Bildung eines Bauelements. Damit können beispielsweise thermisch und elektrisch gut leitfähige und kostenersparende Materialien, wie Siliziumwafer an einen Saphirwafer gefügt oder gebondet werden.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Die 1A und 1B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
die 1C eine detaillierte Ansicht der 1B,
die 2A bis 5B jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements sowie das Bauelement gemäß einer Ausführungsform, und
die 6A und 6B jeweils zwei DSC-Kurven eines Ausführungsbeispiels und eines Vergleichsbeispiels.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die 1A zeigt eine schematische Seitenansicht eines Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 weist eine erste Komponente 1 und eine zweite Komponente 2 auf. Zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 ist ein Verbindungselement 3 angeordnet. Das Verbindungselement 3 weist insbesondere fünf Metalle auf, wobei ein Metall davon Silber ist. Die Metalle sind voneinander verschieden und sind geeignet, bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C zu reagieren. Vorzugsweise sind die anderen Metalle Nickel, Indium, Zinn und Gold. Damit kann ein thermomechanisches stabiles Verbindungselement bereits nach einem Temperaturschritt von kleiner 200 °C erzeugt werden.
Die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 sind zum Beispiel ausgewählt aus einer Gruppe umfassend: Saphir, ein keramisches Material, ein Halbleitermaterial und ein Metall. Dabei können die erste Komponente und die zweite Komponente derart ausgewählt werden, dass sie einen unterschiedlich starken thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere unterscheidet sich der thermische Ausdehnungskoeffizient mindestens um den Faktor 1,5, zum Beispiel um den Faktor 3 oder höher.
Das Verbindungselement 3 ist zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 angeordnet. Das Verbindungselement 3 ist in direktem Kontakt mit der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 angeordnet.
Die 1B zeigt eine schematische Seitenansicht eines Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 der 1B unterscheidet sich von dem Bauelement 100 der 1A dadurch, dass das Verbindungselement 3 aus zwei Phasen 31 und 32 gebildet ist. Beispielsweise besteht oder umfasst die erste Phase 31 die folgenden Metalle mit den Konzentrationen:
Erstes Metall Me1 10 bis 35 Gew%,
zweites Metall Me2 5 bis 35 Gew%,
drittes Metall Me3 15 bis 50 Gew%,
viertes Metall Me4 5 bis 15 Gew%,
Silber ≤ 12 Gew%.
Die zweite Phase 32 kann aus Silber und mindestens zwei weiteren Metallen bestehen oder diese umfassen, die aus den folgenden Metallen und deren Konzentrationen ausgewählt sein können:
Erstes Metall Me1 ≤ 10 Gew%,
zweites Metall Me2 30 bis 50 Gew%,
drittes Metall Me3 ≤ 10 Gew%,
viertes Metall Me4 20 bis 50 Gew%,
Silber als fünftes Metall Me5 ≤ 7 Gew%.
Mit anderen Worten weist das Verbindungselement 3 zwei Phasen 31, 32 auf, wobei die erste Phase 31 alle fünf Metalle aufweisen kann und die zweite Phase 32 neben Silber zumindest zwei Metalle aufweist, die gegebenenfalls auch in der ersten Phase 31 vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Phase 31 und/oder die zweite Phase 32 jeweils als Schicht ausgeformt. Insbesondere sind die beiden Phasen 31, 32 übereinandergestapelt. Die Grenzflächen zwischen benachbarten Schichten der ersten und/oder zweiten Phase 31, 32 können planar sein. Alternativ, wie in 1C gezeigt, können die Grenzflächen zwischen der ersten Phase 31 und der zweiten Phase 32 nicht planar sein, sondern eine wellenförmige Form aufweisen. Dadurch kann die erste Phase 31 mit der zweiten Phase 32 verzahnt werden. Dies kann durch das individuelle Wachstum der Körner in der jeweiligen Schicht verursacht sein. Insbesondere ist das Verbindungselement 3 in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt zu den jeweiligen Komponenten 1, 2 angeordnet. Dabei ist die zweite Phase 32 in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt zur zweiten Komponenten 2 und die erste Phase 31 in direktem und/oder elektrischem Kontakt zur ersten Komponente 1 angeordnet.
Die 2A und 2B zeigen jeweils ein Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Das Bauelement 100 der 2A zeigt ein Bauelement 100, wie es vor Einfluss der Temperatur, also vor dem Verfahrensschritt C), aufgebaut sein kann. Die 2B zeigt das fertige Bauelement 100 nach zumindest dem Verfahrensschritt C).
Die 2A zeigt eine erste Komponente 1 und zweite Komponente 2. Zwischen der ersten und zweiten Komponente 1, 2 ist ein Schichtsystem aus einem ersten Metall Me1, einem zweiten Metall Me2, einem dritten Metall Me3, einem viertem Metall Me4 und einem fünften Metall Me5 aufgebracht. Die erste Komponente 1 kann beispielsweise ein Saphirsubstrat sein. Die zweite Komponente 2 kann beispielsweise eine lichtemittierende Leuchtdiode sein. Nach erfolgtem Verfahrensschritt C), das heißt nach Heizen der im Schritt B) erzeugten Anordnung auf maximal 200 °C, kann ein Verbindungselement 3 erzeugt werden, das zumindest eine erste Phase 31 und optional eine zweite Phase 32 aufweist. Zumindest die erste Phase 31 weist bis zu fünf Metalle, darunter Silber, auf. Die zweite Phase 32 weist Silber und mindestens zwei weitere Metalle auf, die gegebenenfalls auch in der ersten Phase 31 vorhanden sind. Bevorzugt sind Indium und Gold die zwei weiteren Metalle in der zweiten Phase 32.
Damit kann ein Verbindungselement 3 erzeugt werden, das thermodynamisch und mechanisch stabil ist und die erste und die zweite Komponente 1, 2 miteinander verbindet.
Die 3A und 3B zeigen jeweils ein Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Das Bauelement 100 der 3A zeigt den Aufbau vor Einfluss der Temperatur vor dem Verfahrensschritt C) und das Bauelement 100 der 3B zeigt ein Bauelement nach dem Verfahrensschritt C). Das Bauelement 100 der 3A unterscheidet sich von dem Bauelement der 2A dadurch, dass die Schicht aus dem fünften Metall Me5 und die Schicht Me4 aus dem vierten Metall vertauscht sind. Mit anderen Worten grenzt die Schicht aus dem fünften Metall Me5 direkt an die Schicht aus dem dritten Metall Me3 und die Schicht aus dem vierten Metall Me4 ist zwischen der zweiten Komponente 2 und der Schicht aus dem fünften Metall Me5 angeordnet. Optional kann in dem Bauelement der 3A zwischen der Schicht aus dem vierten Metall Me4 und der zweiten Komponente 2 eine Schicht aus dem ersten Metall Me1 angeordnet sein.
Das Bauelement 100 der 3B unterscheidet sich von dem Bauelement 100 der 2B dadurch, dass es drei Phasen 31, 32 aufweist. Das Verbindungselement 3 weist zumindest zwei erste Phasen 31 und eine zweite Phase 32 auf, die zwischen den beiden ersten Phasen 31 angeordnet ist und somit die beiden ersten Phasen 31 voneinander separiert. Insbesondere weisen die beiden ersten Phasen 31 eine gleiche Zusammensetzung auf, wobei die Zusammensetzung der beiden ersten Phasen 31 sich von der Zusammensetzung der zweiten Phase 32 unterscheidet. Insbesondere weisen die ersten Phasen 31 zumindest das erste Metall Me1, insbesondere Nickel, das zweite Metall Me2, insbesondere Indium, das dritte Metall Me3, insbesondere Zinn, und das vierte Metall Me4, insbesondere Gold, und das fünfte Metall Me5, insbesondere Silber, auf. Die zweite Phase 32 weist insbesondere Gold als viertes Metall Me4 und Indium als zweites Metall Me2 und gegebenenfalls Silber als fünftes Metall Me5 auf.
Die 4A und 4B zeigen eine schematische Seitenansicht eines Bauelements 100 sowie dessen Herstellung. In dieser Ausführungsform wird die erste Komponente 1 durch einen Trägerwafer 1 geformt. Der Trägerwafer 1 ist mit einer Schicht aus einem ersten Metall Me1 bedeckt. Das erste Metall Me1 ist insbesondere Platin, Nickel oder Palladium und weist eine Schichtdicke von 650 nm auf. Die Schicht aus Me1 kann mittels Kathodensputtering aufgebracht werden. Auf der Schicht aus Me1 sind zumindest zwei zweite Komponenten 2 nachgeordnet. Zwischen den zumindest zwei nachgeordneten Komponenten 2 sind jeweils eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2, eine Schicht aus einem dritten Metall Me3, eine Schicht aus einem vierten Metall Me4 und eine Schicht aus einem fünften Metall Me5 angeordnet (4A). Mit anderen Worten weist das in 4A dargestellte Bauelement 100 eine erste gemeinsame Komponente 1 und zumindest zwei zweite Komponenten 2 auf.
Anschließend erfolgt die Behandlung der Anordnung der 4A mit einer Temperatur von maximal 200 °C oder 180 °C gemäß dem Verfahrensschritt C). Dabei bildet sich ein Verbindungselement 3 aus, das eine erste Phase 31 und gegebenenfalls eine zweite Phase 32 aufweist. Die erste Phase 31 und gegebenenfalls die zweite Phase 32 weisen jeweils das erste Metall Me1, das zweite Metall Me2, das dritte Metall Me3, das vierte Metall Me4 und das fünfte Metall Me5 auf oder bestehen daraus (4B). Damit kann ein thermomechanisch stabiles Verbindungselement 3 erzeugt werden. Ein anschließender Aufheizschritt, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 230 und 400 °C, zur Abreaktion des Verbindungselements 3 ist nicht erforderlich. Es resultiert eine Anordnung, die eine erste Komponente 1 und eine zweite Komponente 2 aufweist, wobei jeweils zwischen den beiden Komponenten 1, 2 ein Verbindungselement 3 angeordnet ist, das thermodynamisch und mechanisch stabil ist.
Die 5A und 5B zeigen die Herstellung eines Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Die 5A zeigt, dass eine erste Komponente 1, welche eine Halbleiterschichtenfolge und ein Saphirsubstrat aufweisen kann, bereitgestellt werden kann. Ferner kann eine zweite Komponente 2 bereitgestellt werden. Anschließend kann auf der ersten Komponente 1 eine Schicht aus einem ersten Metall Me1, anschließend eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und anschließend eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufgebracht werden. Auf die zweite Komponente 2 kann eine Schicht aus einem vierten Metall Me4 und eine Schicht aus einem fünften Metall Me5 aufgebracht werden. Anschließend erfolgt die Verbindung der beiden Komponenten 1, 2, sodass die Schicht aus dem dritten Metall Me3 und die Schicht aus dem fünften Metall Me5 in direktem Kontakt zueinander angeordnet sind. Anschließend kann ein Aufheizen der in 5A erzeugten Anordnung auf maximal 180 °C oder 200 °C erfolgen. Damit können die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 miteinander verbunden werden. Es bildet sich ein Verbindungselement 3, das eine erste Phase 31, eine zweite Phase 32 und eine weitere erste Phase 31 aufweist.
Zusätzlich kann zwischen der Schicht aus dem vierten Metall Me4 und der zweiten Komponente 2 eine Schicht aus einem ersten Metall Me1 aufgebracht werden (hier nicht gezeigt). Es können damit beispielsweise ein Saphirsubstrat (z.B. strukturlos, 4 Zoll) als erste Komponente 1 und eine Quarzglasträgerscheibe als zweite Komponente 2 miteinander verbunden oder verbondet werden. Aufgrund der stark unterschiedlich thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist dies aber nur bei geringen Temperaturen möglich. Als Verbindungselement 3 kann daher auf die erste Komponente 1, wie einer Saphirscheibe, beispielsweise eine 300 nm dicke Schicht aus dem ersten Metall Me1, vorzugsweise Nickel, sowie eine 300 nm dicke Schicht aus einem zweiten Metall Me2, vorzugsweise Indium, gefolgt von einer 450 nm dicken Schicht aus einem dritten Metall Me3, vorzugsweise Zinn, aufgebracht werden. Auf die zweite Komponente, die insbesondere eine Quarzglasträgerscheibe ist, kann eine 50 nm dicke Schicht aus einem ersten Metall Me1, vorzugsweise Nickel, gefolgt von einer 40 nm dicken Schicht aus einem vierten Metall Me4, vorzugsweise Gold, und einer 100 nm dicken Schicht aus einem fünften Metall Me5, vorzugsweise Silber, aufgebracht werden. Das Verbinden der Komponenten 1, 2 erfolgt insbesondere bei Temperaturen < 200 °C, beispielsweise bei 165 °C, und gegebenenfalls unter einem uniaxialen Druck, beispielsweise von 1 mPa.
In dem Bondverfahren können die Scheiben zunächst aufeinander platziert und in diesem Zustand mit einer Heizrate, beispielsweise von 10 K/min ausgehend von Raumtemperatur auf die zum Bonden verwendete Temperatur beheizt werden. Es kann erst der Druck aufgebracht und für eine bestimmte Zeit, beispielsweise für 600 s, gehalten werden. Anschließend können die Scheiben wieder mit einer Abkühlrampe, beispielsweise von 10 K/min, auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Der hier ausgebildete Scheibenverbund weist einen ausreichend niedrigen Bimetalleffekt auf, sodass eine automatische Horden- oder Anlagenbestückung möglich ist. Ferner ist das hier ausgebildete Verbindungselement 3 ausreichend stabil für mechanische sowie für thermische Folgeprozesse.
Die 6A zeigt eine DSC-Kurve (DSC, Differential Scanning Calorimetry) eines Verbindungselements 3 gemäß einer Ausführungsform. Die 6B zeigt eine DSC-Kurve eines Verbindungselements 3 eines Vergleichsbeispiels. Es ist jeweils die Heizrate Q in W/g in Abhängigkeit von der Temperatur T in °C dargestellt. Es wurden jeweils die Aufheizkurve 6-1 und die Abkühlkurve 6-2 vermessen. Das Verbindungselement 3 der 6A unterscheidet sich von dem Verbindungselement 3 der 6B dadurch, dass das
Verbindungselement 3 der 6A neben dem ersten Metall Me1, dem zweiten Metall Me2, dem dritten Metall Me3, dem vierten Metall Me4 ein fünftes Metall Me5 aufweist. Insbesondere weist das Verbindungselement 3 der 6A als erstes Metall Me1 Nickel, als zweites Metall Me2 Indium, als drittes Metall Me3 Zinn, als viertes Metall Me4 Gold und als fünftes Metall Me5 Silber auf. Das Vergleichsbeispiel der 6B weist Nickel, Indium, Zinn und gegebenenfalls Gold auf. Aus der Aufheizkurve der 6A ist erkennbar, dass es, verglichen mit der Aufheizkurve der 6B, zu keiner Nachreaktion 6-3 bei hohen Temperaturen, insbesondere bei 400 °C, kommt. Damit zeigt das erfindungsgemäße Verbindungselement 3 bereits bei niedrigen Temperaturen eine thermomechanische Stabilität.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede neue 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.
Bezugszeichenliste

100: Optoelektronisches Bauelement
1: erste Komponente
2: zweite Komponente
3: Verbindungselement
31: erste Phase
32: zweite Phase
312: wellenförmige Grenzfläche
Me1: Schicht des ersten Metalls oder erstes Metall
Me2: Schicht des zweiten Metalls oder zweites Metall
Me3: Schicht des dritten Metalls oder drittes Metall
Me4: Schicht des vierten Metalls oder viertes Metall
Me5: Schicht des fünften Metalls oder fünftes Metall

Claims

Bauelement (100) aufweisend – eine erste Komponente (1), – eine zweite Komponente(2), – ein Verbindungselement (3), das zwischen der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (3) zumindest eine erste Phase (31) aufweist, wobei die erste Phase (31) Silber (Me5) und mindestens vier weitere Metalle (Me1, Me2, Me3, Me4) aufweist, wobei die Metalle voneinander verschieden sind und geeignet sind, bei einer Verarbeitungstemperatur von kleiner 200 °C zu reagieren, so dass ein thermomechanisch stabiles Verbindungselement (3) erzeugt ist.
Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei der Anteil (c15) an Silber in der ersten Phase (31) maximal 12 Gew% ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vier weiteren Metalle ein erstes Metall (Me1), ein zweites Metall (Me2), ein drittes Metall (Me3) und ein viertes Metall (Me4) sind, wobei das erste Metall (Me1) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Nickel, Platin und Palladium umfasst, wobei das zweite Metall (Me2) Indium ist, wobei das dritte Metall (Me3) Zinn ist, und wobei das vierte Metall (Me4) Gold ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (3) eine zweite Phase (32) aufweist, die mit der ersten Phase (31) als Schichtsystem ausgeformt ist, wobei die zweite Phase (32) Silber und mindestens zwei weitere Metalle aufweist, die auch in der ersten Phase (31) vorhanden sind.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (3) zwei erste Phasen (31) und eine zweite Phase (32) aufweist, die jeweils als Schicht ausgeformt sind, wobei die zweite Phase (32) zwischen den beiden ersten Phasen (31) angeordnet ist, wobei der Anteil (c15) an Silber in der ersten Phase (31) größer als der Anteil (c25) an Silber in der jeweiligen zweiten Phase (32) ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (3) frei von Cadmium, Antimon, Bismut, Blei und/oder Kupfer ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c11) des ersten Metalls (Me1) in der ersten Phase (31) zwischen 10 und 35 Gew% und/oder die Konzentration (c21) des ersten Metalls (Me1) in einer zweiten Phase (32) kleiner 10 Gew% ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c12) des zweiten Metalls (Me2) in der ersten Phase (31) zwischen 5 und 35 Gew% und/oder die Konzentration (c22) des zweiten Metalls (Me2) in einer zweiten Phase (32) zwischen 30 und 50 Gew% ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c13) des dritten Metalls (Me3) in der ersten Phase (31) zwischen 15 und 50 Gew% und/oder die Konzentration (c23) des dritten Metalls (Me3) in einer zweiten Phase (32) kleiner 5 Gew% ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c14) des vierten Metalls (Me4) in der ersten Phase (31) zwischen 5 und 15 Gew% und/oder die Konzentration (c24) des vierten Metalls (Me4) in einer zweiten Phase (32) zwischen 20 Gew% und 50 Gew% ist.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Komponente (2) eine lichtemittierende Leuchtdiode umfasst, und wobei zumindest die erste Komponente (1) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Saphir, Siliziumnitrid, ein Halbleitermaterial, ein keramisches Material, ein Metall und Glas umfasst.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Metall (Me1) einen Schmelzpunkt größer 1400 °C, das zweite Metall (Me2) einen Schmelzpunkt von kleiner als 180 °C, das dritte Metall (Me3) einen Schmelzpunkt kleiner 250 °C und das vierte Metall (Me4) einen Schmelzpunkt kleiner 1100 °C aufweisen, wobei zumindest das zweite und das dritte Metall (Me2, Me3) ein eutektisches Gemisch bei einem Schmelzpunkt kleiner oder gleich 120 °C bilden.
Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Komponente (1) aufweisend einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1) von der zweiten Komponente (2) aufweisend einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α2) verschieden ist und sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten um mindestens den Faktor 1,5 voneinander unterscheiden.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit den Schritten: A) Bereitstellen einer ersten Komponente (1) und einer zweiten Komponente (2), B) Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem ersten Metall (Me1), zumindest einer Schicht aus einem zweiten Metall (Me2), zumindest einer Schicht aus einem dritten Metall (Me3), zumindest einer Schicht aus einem vierten Metall (Me4) und zumindest einer Schicht aus Silber (Me5) auf die erste und/oder zweite Komponente (1, 2), wobei die Metalle verschieden voneinander sind, C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf maximal 200 °C zur Ausbildung eines Verbindungselements (3) aufweisend zumindest eine erste Phase (31), die mindestens Silber (Me5) und vier weitere Metalle (Me11, Me12, Me13, Me14) aufweist, wobei die erste und zweite Komponente (1, 2) miteinander verbunden werden und zusammen mit dem Verbindungselement (3) eine thermodynamisch und mechanisch stabile Anordnung bilden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren frei von einem weiteren Heizschritt ist, bei dem die unter Schritt C) erzeugte Anordnung auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 400 °C erhitzt wird.