DE112017001768T5 - Verfahren zur Herstellung einer Verbindung in einem binären System und Verbindung dafür - Google Patents

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Andreas Larsson
Torleif A. Tollefsen
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden einer Verbindung, die zwei feste Gegenstände und Verbindungen miteinander verbindet, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, wobei die Verbindung durch eine Schicht aus einem binären System gebildet wird, das nach der Wärmebehandlung eine poröse, kohärente und kontinuierliche einzelne feste Lösungsphase bildet, die sich über eine Verbindungsschicht der Verbindung erstreckt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden einer Verbindung zwischen zweier fester Komponenten und auf nach dem Verfahren hergestellte Verbindungen. Die vorliegende Erfindung eignet sich zum Fügen von Struktur- und/oder Elektronikbauteilen, insbesondere als Verbindungstechnologie zum Verkleben von metallischen Bauteilen und für das Elektronik-Packaging.
  • Hintergrund
  • Das Fügen von Materialien oder Komponenten ist eine alte Technik, die viele tausend Jahre in der Zeit zurückreicht. In immer kürzerer Zeit ist das Fügen von Metallen zu einer Technik von großer Bedeutung geworden.
  • Einige der fortschrittlichsten Technologien zum Verbinden von Metallkomponenten, die heute im Einsatz sind, sind die Montage komplexer elektronischer Systeme (oft auch als Bonden bezeichnet). Beispiele für typische Anwendungen sind das Bonden von elektronischen Bauelementen wie z.B. Breitband-Halbleitern (z.B. Transistoren oder Dioden aus SiC, GaN, GaAs, AlN), mikromechanischen Systemen (MEMS), Mikrobauteilen, Mikrostrukturen, Kondensatoren, Widerständen, Induktivitäten auf Wafern oder anderen Substraten (typischerweise aus Keramik oder Glas) und ICs (z.B. aus Si oder SiC). Weitere Anwendungen sind das Fügen von thermoelektrischen Generatoren (TEG), das Bilden hermetischer Dichtungen in Verkapselungen oder das Fügen von Strukturbauteilen. Bonding beinhaltet das Bilden von Verbindungen, Die-Attaches und dergleichen im Bereich der Elektronikverpackung. Zu diesen Technologien gehören: Löten, Löten, Schweißen, Kontaktschmelzen, Thermokompression, Ultraschall-, Fest-Flüssig-Interdiffusion (SLID)/Transiente Flüssigphase (TLP) und Sintern.
  • Das Fügen von Komponenten kann in zwei Kategorien unterteilt werden: (1) Technologien unter Verwendung unterschiedlicher Materialien und (2) Technologien unter Verwendung eines einzigen Materials.
  • Technologien, die ungleiche Materialien zum Fügen verwenden, erfordern typischerweise eine Interdiffusion zwischen den Materialkomponenten. Die Interdiffusion wird in vielen Verbindungstechnologien eingesetzt, darunter Löten, Löten, Schweißen und Fest-Flüssig-Interdiffusion (SLID) und Transient Liquid Phase (TLP).
  • Technologien, die ein einzelnes Material zum Fügen verwenden, erfordern typischerweise anspruchsvolle Prozessparameter wie Hochtemperatur, Hochdruck, Hochvakuum und hochwertige Klebeoberflächen. Daher sind Verbindungstechnologien mit einem einzigen Material oft nicht für elektronische Bauelemente geeignet, da MEMS leicht mit hohen Drücken inkompatibel sein können, halbleitende Materialien möglicherweise nicht der hohen Temperatur entsprechen oder größere Bauteile versuchen, die Anforderungen an die Oberflächengüte zu erfüllen. Darüber hinaus verursachen hohe Vakuumwerte und die Vorbereitung der Probenoberfläche erhebliche Kosten für den Verpackungsprozess.
  • Stand der Technik
  • Das Weichlöten ist die gebräuchlichste Fügetechnik für die Elektronik. Seine Hauptkomponente ist ein Füllstoff. Sie wird als Lot bezeichnet, das typischerweise ein Bimetallsystem mit drei Phasen ist[1]. Die Lotzusammensetzung befindet sich in der Regel in der Nähe eines eutektischen Punktes, um die Prozesstemperatur zu senken. Das Lot wird zwischen zwei zu verbindenden Flächen platziert. Das Lot wird erhitzt, bis es schmilzt und beide Verbindungsflächen benetzt. Durch sequentielles Abkühlen verfestigt sich das Lot und bildet eine feste Verbindung. Off-eutektisches Löten wird manchmal für Legierungszusammensetzungen mit einem kleinen Versatz zur eutektischen Zusammensetzung verwendet. Ein Lötprozess ist dadurch gekennzeichnet, dass er bei der gleichen Grundtemperatur (typischerweise bei der eutektischen Temperatur) schmilzt, wenn er einem Reflow-Prozess ausgesetzt wird. Einige Lötmittelsysteme erzeugen intermetallische Verbindungen (IMC).
  • Das Hartlöten ist in seinen Eigenschaften ähnlich wie das Löten, wird aber bei einer erhöhten Prozesstemperatur durchgeführt, typischerweise über 400-450 °C.
  • Das Schweißen ist eine weitere sehr verbreitete Fügetechnik. Es gibt viele verschiedene Formen des Schweißens, wie z.B. Widerstandsschweißen, Lichtbogenschweißen, Gasschweißen und Laserschweißen. Allen gemeinsam ist, dass die Bondgrenzfläche über den Schmelzpunkt mindestens einer der Komponenten erwärmt wird. Die Oberflächen werden dann zusammengepresst und beim Abkühlen erstarrt die Schmelze und bildet eine feste Verbindung[1]. Das Schweißen zeichnet sich typischerweise durch eine hohe Prozesstemperatur und monometallnahe Verbindungen aus.
  • Das Kontaktschmelzen oder Diffusionsschweißen ist eine weitere ähnliche Technologie wie das Thermokompressionsschweißen und -kleben. Sie besteht aus zwei Komponenten unterschiedlicher Materialzusammensetzung, die miteinander verpresst werden. Eine Komponente ist typischerweise ein Bi-Metall in Form einer Mischlösung[1]. Die feste Interdiffusion schafft dann eine Verbindung zwischen den beiden angrenzenden Oberflächen, die eine feste Lösung umfasst. Dieser Prozess dauert in der Regel lange und wird bei hohen Temperaturen durchgeführt.
  • Thermokompression und Ultraschallbindung pressen zwei Komponenten ähnlicher Zusammensetzung zusammen, während thermische oder thermische und Ultraschallenergie in die Verbindungsflächen übertragen wird. Dadurch wird der Interdiffusionsprozess zwischen den Verbindungsflächen beschleunigt und eine feste Verbindung bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Schmelzpunkte der verwendeten Materialien erzeugt. Im Prinzip ist es ähnlich wie beim normalen Schweißen, bei dem die erforderliche Energie zum Einleiten des Klebens durch eine Kombination aus Wärme, Druck und Vibrationen und nicht nur durch Wärme bereitgestellt wird.
  • Das Sintern ist ein weiterer Ansatz, bei dem kleine Metallpartikel auf Verbindungsflächen aus dem gleichen oder ähnlichen Material aufgebracht werden. Angewandter Druck und Wärme treibt einen Festkörperdiffusionsprozess an, der eine feste Verbindung bildet. Die Technologie wird kategorisiert, indem monometallische Verbindungen mit gleichmäßiger, aber poröser Geometrie bei hohem Druck und relativ niedriger Temperatur, z.B. im Vergleich zum Schweißen, hergestellt werden.
  • Das Solid-liquid-Interdiffusion-Bonden (SLID) und die transiente flüssige Phase (TLP) ist eine weiterentwickelte Technologie zur Herstellung metallischer Verbindungen[2]. Ein Bimetallsystem aus einem ersten und zweiten Metall wird verwendet, wenn das erste und zweite Metall unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Die Verbindung wird durch Bilden einer Sandwichstruktur aus mindestens einer Schicht des ersten Metalls, die zum Kontaktieren mindestens einer Schicht des zweiten Metalls vorgesehen ist, und Erwärmen der Sandwichstruktur erhalten, bis das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in den flüssigen Zustand übergeht. Anschließend wird die Temperatur so stabilisiert, dass das andere Metall in der festen Phase bleibt. Das flüssige Metall benetzt die Verbindungsflächen in der Sandwichstruktur und ermöglicht eine relativ schnelle Interdiffusion zwischen den beiden Metallphasen. Die Interdiffusion bewirkt eine Verschiebung der relativen Konzentration von gelöstem Stoff und Lösungsmittel im Materialsystem. Letztendlich wird dadurch die flüssige Phase in eine feste Phase, d.h. einen Verfestigungsprozess oder eine Phasenverschiebung, mit einer neuen homogenen Materialzusammensetzung umgewandelt. Anschließend wird die Verbindung abgekühlt. Typischerweise kann die neue Phase nun über den ursprünglichen Schmelzpunkt der Verbundwerkstoffe hinaus erwärmt und für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die erhöhte Hochtemperaturverträglichkeit erwünscht ist. Um stabile Phasen zu bilden, zielen SLID-Bindungen darauf ab, bestimmte Phasen, z.B. stöchiometrische Phasen oder intermetallische Verbindungen (IMC), in komplexen Bi-Metall-Systemen zu erreichen, bei denen der Solidus nicht temperaturkonstant ist (bei konstantem Druck). IMCs sind oft spröde und unzuverlässig und werden daher bei traditionellen Fügeanwendungen oft vermieden. Einige Materialsysteme haben jedoch stabile Materialphasen mit einem viel höheren Schmelzpunkt als das ursprüngliche Material mit niedrigem Schmelzpunkt. Somit kann die endgültige Materialzusammensetzung für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit oder bei hohen Temperaturen verwendet werden. Mehrere SLID-Systeme wurden evaluiert, darunter: Au-In, Au-Sn, Ag-In, Ag-Sn, Cu-Sn und Ni-Sn.
  • Im Dokument US 2013/0152990 wird die Verwendung der SLID-Technologie zum Verbinden von Elektroden mit thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien offengelegt. Das Dokument erwähnt Bi2Te3, GeTe, PbTe, CoSb3 und Zn4Sb3 als Beispiele für thermoelektrische Umwandlungsmaterialien, und das thermoelektrische Umwandlungsmaterial wird zunächst mit einer 1 bis 5 µm dicken Sperrschicht aus Ni oder einem anderen geeigneten Material, dann mit einer 2 bis 10 µm dicken Ag-, Ni oder Cu-Schicht und schließlich mit einer 1 bis 10 µm dicken Sn-Schicht beschichtet. Die Elektrode wird einseitig zunächst mit einer 2 - 10 µm dicken Ag-, Ni oder Cu-Schicht und dann mit einer 1 - 10 µm dicken Sn-Schicht beschichtet. Das beschichtete thermoelektrische Umwandlungsmaterial und die Elektrode werden dann mit ihren Sn-Schichten Seite an Seite gelegt und unter schonender Erwärmung zusammengepresst, bis die Sn-Schichten schmelzen und mit den Ag, Ni oder Cu zu festen intermetallischen Verbindungen reagieren, die die Elektrode mit dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial verbinden.
  • Das Dokument US 3 025 439 enthüllt ein Verfahren zum Montieren einer Siliziumhalbleiteranordnung auf eine Kopfzeile, das die Schritte umfasst: Beschichten eines Abschnitts der Siliziumhalbleiteranordnung und der Kopfzeile mit Gold, Stapeln der Goldbeschichtungen durch die Zwischenform eines Vorformlings aus 12 % Germanium und 88 % Gold und danach Erhöhen der Temperatur des resultierenden Stapels, um eine Legierung des Goldes zu bewirken. Das resultierende Produkt ist in der US 3 025 439 dargestellt und wird im Dokument als vollständige Fusion und Verlust der Identität der Goldbeschichtungen und des Preforms beschrieben. Sie wurden in eine im Wesentlichen kontinuierliche Goldverbindung oder einen Kontakt zwischen dem Kopf und dem Siliziumhalbleiter umgewandelt.
  • Aus den USA 3 200 490 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mit einem Siliziumkörper bekannt, bei dem eine Oberfläche des Körpers mit Germanium beschichtet wird, eine Oberfläche des Verbindungsteils mit einem Metall beschichtet wird, das in der Lage ist, eine eutektische Lösung mit Germanium zu bilden, in dem Silizium löslich ist, die beschichteten Oberflächen in Kontakt gebracht und oberhalb der eutektischen Temperatur erwärmt werden.
  • Das Dokument US 5 038 996 offenbart ein Verfahren zum Verbinden zweier metallischer Oberflächen, umfassend das Beschichten jeder der metallischen Oberflächen mit einer Schicht aus einem ersten Material und einer Schicht aus einem zweiten und unterschiedlichen Material, die mit der Schicht des ersten Materials in Kontakt steht. Das erste Material und das zweite Material werden so gewählt, dass sich an der Schnittstelle zwischen ihnen eine eutektische Flüssigkeitsschicht bildet. Die Schichten des zweiten Materials auf jeder der metallischen Oberflächen werden aneinandergefügt und dann werden die Schichten über die eutektischen Temperaturen erhitzt, um eine lokalisierte Flüssigkeit zu bilden, die beim Verfestigen zu einer Verbindung zwischen den Oberflächen führt.
  • Das Dokument US 7 628 309 enthält ein Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten miteinander, das die Schritte des Bereitstellens einer ersten Komponente, des Bereitstellens einer zweiten Komponente und des Lokalisierens eines ersten eutektischen Bindemittels zwischen der ersten und zweiten Komponente beinhaltet. Das erste eutektische Bindungsmaterial beinhaltet mindestens eines aus Germanium, Zinn oder Silizium. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Lokalisierens eines zweiten eutektischen Bindemittels zwischen der ersten und zweiten Komponente und angrenzend an das erste eutektische Bindungsmaterial. Das zweite eutektische Bindungsmaterial beinhaltet Gold. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Erwärmens des ersten und zweiten eutektischen Bindemittels auf eine Temperatur oberhalb einer eutektischen Temperatur einer Legierung des ersten und zweiten eutektischen Bindemittels, um die Bildung einer hypoeutektischen Legierung aus dem ersten und zweiten eutektischen Bindungsmaterial zu ermöglichen. Das Verfahren beinhaltet den weiteren Schritt des Kühlens der untereutektischen Legierung, um eine Mischkristall-Legierung zu bilden, die die ersten und zweiten Komponenten miteinander verbindet.
  • Das Dokument US 5 623 127 offenbart eine lötplattierte Leiterplatte (100), die aus einem elektrisch isolierenden Substrat besteht, das Kupferleiterbahnen (105) aufweist, von denen Teile lötbar sind. Eine im Wesentlichen planare Schicht (120) einer Lötzusammensetzung ist mit den lötbaren Leiterbahnen verschmolzen, um ein Lötpad zu bilden, das nicht gewölbt ist. Die Schicht besteht aus einer Masse von off-eutektischen Lotpartikeln (115), die miteinander verschmolzen sind, um eine Agglomeration (120) mit einer porösen Struktur zu bilden. Die Lotpartikel werden miteinander verschmolzen, indem das off-eutektische Lot auf eine Temperatur erwärmt wird, die zwischen der Solidustemperatur und der Liquidustemperatur des Lotes liegt. Das Lot wird dann unter die Solidustemperatur abgekühlt, um es zu verfestigen.
  • Das Dokument US 6 854 636 enthält ein elektronisches Gehäuse mit einer Hierarchie der Liquidus-Temperatur der Lötverbindung, um das Ausmaß des Schmelzens der C4-Lötverbindung bei nachfolgenden Füge-/Montage- und Nacharbeitsvorgängen der zweiten Stufe zu begrenzen. Die Löthierarchie verwendet die Verwendung von off-eutektischen Lotlegierungen aus Sn/Ag und Sn/Cu mit einer höheren Liquidustemperatur für die C4-Lötverbindungen der ersten Stufe und einer niedrigeren Liquidustemperaturlegierung für die Verbindungen der zweiten Stufe. Wenn die Füge-/Montagevorgänge zwischen Chipträger und Leiterplatte auf der zweiten Ebene stattfinden, schmelzen die C4-Verbindungen zwischen Chip und Chipträger nicht vollständig. Sie haben weiterhin einen bestimmten Anteil an Feststoffen und einen geringeren Anteil an Flüssigkeiten als eine vollständig geschmolzene Legierung. Dies führt zu einer geringeren Ausdehnung der Lötverbindung und damit zu geringeren Spannungen auf der C4-Verbindung.
  • Ziel der Erfindung
  • Das Hauptziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bilden einer mechanisch elastischen und flexiblen Zweiphasen-Mischverbindung bereitzustellen, die eine einphasige feste Lösungsstruktur zum Verbinden von festen Komponenten und nach dem Verfahren hergestellten Verbindungen umfasst.
  • Das Ziel kann durch die in den beigefügten Patentansprüchen angegebenen Merkmale erreicht werden.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung kann als eine Umsetzung der Erkenntnis angesehen werden, dass die „matschige Zone“, die in bestimmten mischbaren oder teilweise mischbaren (eutektischen) binären Systemen der Komponente A und der Komponente B bei Temperaturen zwischen den Solidus- und Liquidustemperaturen des Systems gebildet werden kann, verwendet werden kann, um eine kohärente einzelne feste Lösungsphase zu bilden, die sich über eine Verbindungsschicht erstreckt. Die Phase der einzelnen festen Lösung kann verwendet werden, um eine mechanisch elastische und flexible Verbindung zwischen zwei festen Komponenten bei Temperaturen in einem bestimmten Bereich zwischen der Solidustemperatur, aber unterhalb der Liquidustemperatur des Binärsystems zu bilden.
  • Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt auf ein Verfahren zum Bilden einer Verbindung zwischen einer Verbindungsfläche eines ersten festen Objekts und einer Verbindungsfläche eines zweiten festen Objekts, worin das Verfahren umfasst:
    • A) Bereitstellen eines binären Systems der Komponenten A und B, wobei das binäre System entweder :i) ein mischbares binäres System mit einer Gesamtzusammensetzung C0 innerhalb des Bereichs ist: C0 = CLiq - fα(CLiq - Cα) wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer einphasigen festen Lösung koexistiert, wenn das binäre System eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Tliq,B)/2 aufweist, Cα ist die Zusammensetzung der einphasigen festen Lösung, die mit der flüssigen Phase koexistiert, wenn das binäre System eine Temperatur T1 aufweist,
      • Tliq,A ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente A,
      • Tliq,B ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente B und
      • fα ist der Anteil der einphasigen festen Lösung, der im mischbaren binären System bei der Temperatur T1 vorhanden ist,
      • und wobei fα der Bereich von[0.26, 1) ist,
      ii) oder ein teilweise mischbares binäres System entweder einer hypoeutektischen oder übereutektischen Zusammensetzung mit nur drei Phasenfeldern in ihrem Festkörperbereich, - und wenn die Zusammensetzung des teilweise mischbaren binären Systems hypoeutektisch ist,
      • es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = CLiq - fα(CLiq - Cα)
      • wo;
      Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer α-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist, Cα ist die Zusammensetzung der α-Phase, die mit der flüssigen Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist,
      • Tliq,A ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente A,
      • Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und
      • fα liegt im Bereich von[0.26, 1),
      - oder wenn die Zusammensetzung des teilmischbaren Binärsystems übereutektisch ist,
      • es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = fβ(Cβ - CLiq) + CLiq
      • wo;
      Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer β-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist, Cβ ist die Zusammensetzung der β-Phase, die mit der Flüssigphase koexistiert, wenn
      • das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist, Tliq,B ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente B,
      • Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und
      • fβ liegt im Bereich von[0.26, 1),
    • B) Bilden einer Sandwichstruktur, die das erste feste Objekt, das binäre System und das zweite feste Objekt umfasst, indem sie der Verbindungsfläche des zweiten festen Objekts in Richtung der Verbindungsfläche des ersten festen Objekts zugewandt ist, wobei das binäre System zwischen den beiden Objekten angeordnet und so angeordnet ist, dass es die Verbindungsflächen sowohl des ersten als auch des zweiten Objekts berührt, und
    • C) Bilden der Verbindungsverbindung der ersten und zweiten Objekte durch Wärmebehandlung der Sandwichstruktur bei einer Temperatur, die nach oben auf die Temperatur T1 begrenzt ist, was dazu führt, dass das mischbare oder teilweise mischbare Binärsystem der Komponenten A und B ein poröses System bildet, die Miete und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponente, die zwischen den Verbindungsflächen der ersten und zweiten Objekte angeordnet ist, und eine zweite Phase der A- und B-Komponente, die in der porösen, cohe Miete und kontinuierlichen Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponente dispergiert ist.
  • In einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verbindung zwischen einer Verbindungsfläche eines ersten festen Objekts und einer Verbindungsfläche eines zweiten festen Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass
    • - die Verbindung eine Verbindungsschicht aus einem binären System der Komponenten A und B umfasst, wobei das binäre System entweder
    :i) ein vollständig mischbares binäres System mit einer Gesamtzusammensetzung C0 innerhalb des Bereichs ist: C 0 = C Liq − f α ( C Liq − C α )
    Figure DE112017001768T5_0001
    wo;
    Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer einphasigen festen Lösung koexistiert, wenn das binäre System eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Tliq, B)/2 aufweist,
    Cα ist die Zusammensetzung der einphasigen festen Lösung, die mit der flüssigen Phase koexistiert, wenn das binäre System eine Temperatur T1 aufweist,
    Tliq,A ist die Liquidustemperatur der 100 % reinen Komponente A,
    Tliq,B ist die Liquidustemperatur der 100 %reinen Komponente B,
    und
    fα im Bereich von[0,26, 1) ,ii) oder einem teilweise mischbaren binären System einer hypoeutektischen oder hypereutektischen Zusammensetzung mit nur drei Phasenfeldern in ihrem Festkörperbereich liegt,
    • - und wenn die Zusammensetzung des teilweise mischbaren binären Systems hypoeutektisch ist, es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = CLiq - fα(CLiq - Cα) wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer α-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist, Cα ist die Zusammensetzung der α-Phase, die mit der flüssigen Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist,
      • Tliq,A ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente A,
      • Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und
      • fα liegt im Bereich von[0.26, 1),
    • - oder wenn die Zusammensetzung des teilmischbaren Binärsystems übereutektisch ist,
      • es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = fβ(Cβ - CLiq) + CLiq
      • wo;
      Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer β-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist,
      • Cβ ist die Zusammensetzung der β-Phase, die mit der Flüssigphase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist,
      • Tliq,B ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente B,
      • Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und
      • fβ im Bereich von[0.26, 1) liegt,und wobei
    • - das Binärsystem der mischbaren oder teilmischbaren Komponenten A und B eine poröse, gemeinsame Miete und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponenten, die zwischen die Verbindungsflächen der ersten und zweiten Objekte eingefügt ist, und eine zweite Phase der A- und B-Komponenten, die in der porösen, gemeinsamen Miete und kontinuierlichen Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponenten dispergiert ist, umfasst.
  • Die hierin verwendete Notation für Intervalle folgt der internationalen Norm ISO 80000-2, wobei die Klammern „[“ und „]“ einen geschlossenen Intervallrand und die Klammern „(„und“)“ einen offenen Intervallrand bezeichnen. Zum Beispiel ist[a, b] das geschlossene Intervall, das alle reellen Zahlen von a bis b enthält: a, b] = {x ∈ ℝ | a ≤ x ≤ b}, während (a, b] das linke halboffene Intervall von a ausgeschlossen bis b eingeschlossen ist: (a,b] = {x ∈ ℝ | a < x ≤ b}.
  • Der hierin verwendete Begriff „Zusammendrücken der ersten und zweiten Verbindungsfläche zueinander“ ist im Zusammenhang mit der Bildung einer Verbindungsschicht zu verstehen, die die Verbindungsfläche der ersten festen Komponente und die Verbindungsfläche der zweiten Komponente miteinander verbindet. So impliziert der Begriff „Quetschen“ die Verwendung einer geeigneten Presskraft, um die Sandwichstruktur während der Wärmebehandlung zusammenzuhalten, um das Binärsystem in das Zweiphasengemisch umzuwandeln, das die kohärente und kontinuierliche einphasige feste Lösung umfasst, die sich über die Verbindungsschicht erstreckt.
  • Der hierin verwendete Begriff „Gesamtzusammensetzung“ bezieht sich auf die Zusammensetzung des Binärsystems als solches, d.h. die Gesamtmenge der Komponente A und/oder der Komponente B im mischbaren oder teilweise mischbaren (eutektischen) Binärsystem - um eine Unterscheidung über die Zusammensetzung der im Binärsystem vorhandenen Phasen zu treffen. Die Gesamtzusammensetzung ist hierin in Gew.-% der Komponente A (oder B) angegeben, sofern nicht anders angegeben. Wenn die Gesamtzusammensetzung beispielsweise 20 Gew.-% A beträgt, beträgt die Menge der Komponente B im Binärsystem 80 Gew.-%, da in einem Binärsystem die Gesamtgewichtsprozent von A und B zu 100 % summiert werden müssen. Dies sollte jedoch nicht im absoluten mathematischen Sinne interpretiert werden, da im praktischen Leben zwangsläufig geringe Mengen an Verunreinigungen vorhanden sein werden, so dass die Summe der Gewichte A und B im Binärsystem leicht von 100 abweichen kann.
  • Ein typisches Phasendiagramm, das die thermodynamisch stabilen Phasenfelder eines mischbaren binären Systems der Komponente A und der Komponente B in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Temperatur zeigt, ist in 1 dargestellt. Die Abszisse oder horizontale Achse des Phasendiagramms stellt die (Gesamt-)Zusammensetzung des binären mischbaren Systems von 100 % reinem A ganz links im Diagramm bis 100 % reinem B ganz rechts im Diagramm dar. Die Ordinaten- oder Vertikalachse stellt die Temperatur dar, mit steigender Temperatur zum oberen Teil des Diagramms hin.
  • Der Begriff „mischbares binäres System der Komponente A und der Komponente B“, wie hierin verwendet, bezeichnet jede Zusammensetzung aus zwei Komponenten A und B, die ineinander vollständig mischbar sind, d.h. wenn die Komponenten in denselben Kristallgittern durch interstitielle oder substitutionelle Auflösung in jeder Zusammensetzung im Bereich von 100 % reinem A bis 100 % reinem B vollständig löslich sind. Die Komponente A und die Komponente B können jedes chemische oder physikalische Gemisch mit einer Gesamtzusammensetzung C0 sein, wobei die A- und B-Komponenten durch Interdiffusion zu einer porösen, kohärenten und kontinuierlichen Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponenten reagieren können. Das binäre System kann in jeder Form bereitgestellt werden, die geeignet ist, die Verbindungsschicht, die die poröse, kohärente und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung umfasst, die zwischen und in Kontakt mit den Verbindungsoberflächen der zu verbindenden Objekte angeordnet ist, durch Diffusion zu bilden. Dazu gehören unter anderem eine Mischung aus der teilchenförmigen Komponente A und der Komponente B, eine Sandwichstruktur aus einer oder mehreren Schichten der Komponente A, die mit einer oder mehreren Schichten der Komponente B verbunden sind, eine oder mehrere Schichten einer chemischen Mischung (z.B. eine Legierung) der Komponente A und B, die zwischen zwei oder mehreren Schichten der Komponente A oder B angeordnet sind, usw.
  • Die hierin verwendeten Begriffe „mischbar“ und „teilmischbar“ beziehen sich auf die Festphasen des verwendeten Binärsystems. In einem vollständig mischbaren binären System sind die Komponenten A und B in denselben Kristallgittern durch interstitielle oder substitutionelle Auflösung bei jeder Zusammensetzung im Bereich von 100 % reinem A bis 100 % reinem B vollständig löslich. In einem teilweise mischbaren binären System mit drei Phasenfeldern in seinem Festkörperbereich wird es drei verschiedene Löslichkeitsbereiche geben, die drei verschiedene Kristallgitter mit getrennten Zusammensetzungsbereichen von A und B definieren. Ein Phasenfeld, das nur aus einer α-Phase besteht, die überwiegend aus der A-Komponente und relativ wenig aus der B-Komponente besteht, eine β-Phase, die überwiegend aus der B-Komponente und relativ wenig aus der A-Komponente besteht, und ein Phasenfeld, das eine Mischung aus der α-Phase und der β-Phase ist.
  • Die einphasige Mischkristall-Lösung der A- und B-Komponenten wird oft als α-Phase bezeichnet, wenn nur eine solche Mischkristall-Phase im Binärsystem vorhanden ist, wie z.B. im Phasendiagramm von 1 dargestellt. Wenn im Binärsystem zwei verschiedene Festlösungsphasen vorhanden sind, werden sie in der Regel dadurch unterschieden, dass sie dann als α-Phase und β-Phase bezeichnet werden. Somit beinhaltet der hierin verwendete Begriff „Komponente A“ oder „Komponente B“ jede chemische Verbindung oder jedes chemische Element, das bei einer Gesamtzusammensetzung C0 bilden kann, wobei das mischbare oder teilmischbare Binärsystem das Zweiphasenfeld aufweist, das eine einphasige feste Lösung der A- und B-Komponenten und eine weitere Phase der A- und B-Komponenten enthält, die bei Temperaturen oberhalb der Solidustemperatur flüssig wird.
  • Der hierin verwendete Begriff „kohärent“ bzw. zusammenhängend ist die Adjektivform des Begriffs „kohärent“ und ist so zu interpretieren, dass die poröse feste Lösung der Komponenten A und B, entweder einer α-Phase oder einer β-Phase, die durch die Wärmebehandlung des mischbaren oder teilmischbaren binären Systems nach der Erfindung gebildet wird, ein Festkörper entweder der α-Phase oder der β-Phase in Kontakt mit und Verbindung mit den zu verbindenden Substraten ist. Der einphasige Körper der entweder α-phase oder β-phase bleibt im festen Zustand und fungiert als tragende Struktur der Bindung gemäß der Erfindung, wenn er auf eine Temperatur zwischen Solidustemperatur und T1 erwärmt wird.
  • Die kohärente einzelne feste Lösungsphase, die sich gemäß der Erfindung über die Bindeschicht erstreckt, wird durch eine Umverteilung der A- und B-Komponenten in der Mischung der Gesamtzusammensetzung C0 durch Interdiffusion erhalten. Der Interdiffusionsprozess kann durch eine Wärmebehandlung verstärkt werden. Die Wärmebehandlung kann Temperaturen von der Raumtemperatur bis über die Solidustemperatur des Binärsystems hinaus beinhalten. Das heißt, je nach verwendetem Binärsystem der Komponente A und der Komponente B kann der Interdiffusionsprozess, der die kohärente und kontinuierliche tragende Struktur der einphasigen festen Lösung (entweder der α-Phase oder der β-Phase) aus dem Gemisch der A- und B-Komponenten bildet, vollständig im festen Zustand oder in der Mischzone von teilflüssig und teilfest erfolgen. Für viele binäre Systeme ist ein Flüssig-Feststoff-Interdiffusionsprozess um mehrere Größenordnungen schneller als ein reiner Feststoff-Interdiffusionsprozess, so dass die Wärmebehandlung vorteilhaft bei einer Temperatur oberhalb der Solidustemperatur von mindestens einer der Komponenten in der Mischung der A- und B-Komponenten durchgeführt werden kann. Die Temperatur während der Wärmebehandlung sollte jedoch nicht zu nahe am Liquidus erhöht werden, um zu vermeiden, dass sich zu viel vom Binärsystem im flüssigen Zustand befindet. Daher sollte die Wärmebehandlung, d.h. die Erwärmung des Binärsystems, nach oben auf die Temperatur T1 begrenzt werden, um nicht zu nahe an der Liquidustemperatur zu liegen. Einige binäre Systeme haben eine akzeptable schnelle Interdiffusion, die es ermöglicht, die kohärente und kontinuierliche tragende Struktur bei Temperaturen bis hinunter zur Raumtemperatur zu bilden, aber die meisten Systeme erfordern eine angemessene höhere Wärmebehandlungstemperatur, um akzeptable Wärmebehandlungszeiten zu erhalten. So ist in der Praxis eines der folgenden Intervalle:[0.5·TS, T1],[0.7·TS, T1],[0.75·TS, T1],[0.8·TS, T1],[0.85·TS, T1],[0.9·TS, T1] oder[0.95·TS, T1], wobei TS die Solidustemperatur für das binäre System bei der Zusammensetzung C0 ist, ist ein geeigneter Bereich zur Aktivierung des Interdiffusionsprozesses, der die kohärente und kontinuierliche tragende Struktur bildet, die eine Wärmebehandlung gemäß der Erfindung bildet. Alternativ kann die Wärmebehandlung vorteilhaft eine erste Erwärmung in den matschigen Bereich, d.h. auf eine Temperatur im Bereich von Tsol bis T1 sein, wobei Tsol die Solidustemperatur des binären Systems bei der Gesamtzusammensetzung C0 ist, für einen Zeitraum von einigen Minuten, wie z.B. 4 - 5 Minuten, gefolgt von einer Abkühlung des binären Systems auf eine Temperatur im Bereich von 0,8·Tsol bis Tsol und einer Aufrechterhaltung dieser Temperatur für einige Stunden, wie z.B. 2 bis 10 Stunden, vorzugsweise 3 bis 6 Stunden, vorzugsweise 3 bis 4 Stunden.
  • Der Interdiffusionsprozess, der die poröse, gemietete und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponenten gemäß der Erfindung bildet, ist eine kinetisch kontrollierte Reaktion, die einige Zeit in Anspruch nimmt und die auf mindestens ihre Aktivierungstemperatur erwärmt werden muss, um eingeleitet zu werden. Die Wärmebehandlung im Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst somit das Erwärmen des binären Systems auf jede Temperatur, die diesen Diffusionsprozess aktiviert und diese Temperatur so lange aufrechterhält, wie es für die Durchführung der Reaktion erforderlich ist. Diese Zeitspanne kann zwischen Sekunden und mehreren Stunden oder mehr variieren, je nachdem, welches Binärsystem und welche Wärmebehandlungstemperatur angewendet wird. Die Bestimmung der Länge der Wärmebehandlungszeit und der angewandten Temperatur zur Bildung der Bindungsstruktur in einem bestimmten binären System kann durch einfache Versuchsendfehler-Experimente erreicht werden.
  • Eine Besonderheit voll mischbarer binärer Systeme ist, dass das System nur eine feste Phase bildet, die eine einphasige feste Lösung der Komponenten A und B bei Temperaturen unterhalb der Soliduslinie der Systeme ist, und zwar bei allen Zusammensetzungen, die von (aber nicht einschließlich) reinem A bis (aber nicht einschließlich) reinem B reichen. Die einphasige feste Lösung der Komponenten A und B, die in vollständig mischbaren binären Systemen gebildet wird, wird oft bezeichnet und ist in 1 als α-Phase dargestellt. In teilweise mischbaren binären Systemen gibt es eine Grenze dafür, wie viele B-Komponenten in das Kristallgitter der einphasigen festen Lösung gelöst werden können. So bilden teilweise mischbare binäre Systeme in der Regel zwei einphasige feste Lösungen, von denen die eine eine eine einphasige feste Lösung von B-Komponenten ist, die in einem Kristallgitter von A-Komponenten gelöst ist, das normalerweise als α-Phase bezeichnet wird, und die andere eine einphasige feste Lösung von A-Komponenten, die in einem Kristallgitter von B-Komponenten gelöst ist, das normalerweise als β-Phase bezeichnet wird. Der Begriff „einzelne feste Lösung der Komponenten A und B“, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet daher jede Mischung der Komponenten A und B, wobei die Komponenten A und B ein gemeinsames Kristallgitter teilen und als eine einzige homogene kristalline Phase im festen Zustand vorliegen.
  • Wenn die Temperatur steigt, beginnt die feste Lösung (a-Phase oder β-Phase) bei einer bestimmten Temperatur zu schmelzen. Diese Temperatur wird als Solidustemperatur bezeichnet und ist oft eine Funktion der (Gesamt-)Zusammensetzung der festen Lösung, so dass die Solidustemperatur für den gesamten Zusammensetzungsbereich eine Linie bildet, die die Soliduslinie bezeichnet, die in 1 die mit der Referenznummer 1 markierte Linie ist.
  • Im Phasenfeld oberhalb der Soliduslinie existiert das mischbare binäre System als zweiphasige Mischung aus der festen α-Phase und einer flüssigen Phase, je höher die Temperatur, desto größer wird der Anteil der flüssigen Fraktion, bis die gesamte α-Phase geschmolzen ist. Die Temperatur, bei der die gesamte feste α-Phase geschmolzen wird, wird als Liquidustemperatur bezeichnet. Die Linie, die die Liquidustemperatur für den gesamten Zusammensetzungsbereich anzeigt, wird als Liquiduslinie bezeichnet, die in 1 mit der Referenznummer 2 gekennzeichnet ist. Im Phasenfeld oberhalb der Liquiduslinie, in 1 mit „L“ markiert, ist das binäre mischbare System der Komponente A und der Komponente B vollständig flüssig.
  • Phasen, die aus einer einzigen Komponente gebildet werden, haben eine einzige gut definierte Temperatur, die sowohl die Liquidus- als auch die Solidustemperatur ist. Diese Temperatur wird oft als Schmelztemperatur oder Schmelzpunkt bezeichnet. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „Schmelztemperatur“ die Liquidustemperatur einer reinen Komponente von entweder A oder B. Somit weist das binäre System bei der Gesamtzusammensetzung von 100 % reinem A eine einzige Temperatur auf, die sowohl die Liquidustemperatur als auch die Solidustemperatur ist, wie hierin bezeichnet; Tliq,A. Ebenso gibt es bei 100 % reinem B auch eine gut definierte Temperatur, wobei Tliq,B sowohl die Liquidus- als auch die Solidustemperatur ist.
  • Bei Gesamtzusammensetzungen zwischen 100 % reinem A und 100 % reinem B werden die Liquidus- und Solidustemperaturen für mischbare Binärsysteme in der Regel so voneinander getrennt, dass bei diesen Gesamtzusammensetzungen die Binärsysteme über einen Temperaturbereich schmelzen. Ein Beispiel für einen solchen „Schmelzspalt“ ist in 1 durch die geheftete vertikale Linie dargestellt, die die Abszisse an dem mit „C1“ markierten Punkt durchdringt. Bei der Temperatur, die dem Abfangpunkt (in mit der Referenznummer 3 gekennzeichnet) zwischen dieser vertikalen gehefteten Linie und der Soliduslinie 1 entspricht, wird das binäre System von nur einer einzigen α-Phase in einen „matschigen Zustand“ sowohl der α-Phase als auch einer flüssigen Phase übergehen. Wenn die Temperatur weiter über die Solidustemperatur ansteigt, schmilzt und erhöht immer mehr der α-Phase den Anteil der flüssigen Phase, bis die gesamte α-Phase geschmolzen ist und das Binärsystem vollständig im flüssigen Zustand ist. Diese Temperatur entspricht dem Fangpunkt (in mit der Referenznummer 4 gekennzeichnet) zwischen dieser vertikalen gehefteten Leitung und der Liquidusleitung 2. Das in 1 mit „L + a“ markierte Phasenfeld zwischen Solidus und Liquiduslinie über den gesamten Kompositionsbereich wird manchmal als „matschige Zone“ bezeichnet, da es eine Mischung aus der festen α-Phase und der flüssigen Phase ist.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass mischbare und teilmischbare (eutektische) binäre Systeme eine Verbindungsschicht oder - verbindung mit einer porösen, d.h. kohärenten kontinuierlichen Struktur bilden können, die bei Temperaturen etwas oberhalb der Solidustemperatur als Strukturmaterial erscheint. Bei diesen erhöhten Temperaturen werden die Poren mit einer Schmelze aus A- und B-Komponenten gefüllt, während das überschüssige Lösungsmittel weiterhin eine kontinuierliche und kohärente Struktur mit mechanischer Steifigkeit bildet und somit als Strukturverbindung verwendet werden kann.
  • Experimente des Erfinders und theoretische Überlegungen deuten darauf hin, dass diese poröse oder kohärente kontinuierliche Struktur der α-Phase es ermöglicht, das binäre System als strukturelle Verbindung zu nutzen, wenn die Gesamtzusammensetzung des binären Systems in einem Bereich liegt, der einem bestimmten Bruchteil der isothermen Linie (in der Literatur auch als Verbindungslinie bezeichnet) entspricht, die vom Schnittpunkt der Soliduslinie zum Schnittpunkt der Liquiduslinie bei einer Temperatur verläuft, die etwa in der Mitte des Temperaturbereichs liegt, in dem das binäre System im Phasenfeld α + L existiert. Ein mischbares binäres System mit einer Gesamtzusammensetzung in diesem „verbindungswirksamen“ Bereich ermöglicht es, eine Verbindungsschicht zu bilden, die die erforderliche mechanische Integrität bei Temperaturen bis mindestens zur mittleren Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur aufrechterhält.
  • Der „bindungswirksame“ Zusammensetzungsbereich des mischbaren binären Systems kann auf vielfältige Weise bestimmt werden. In der vorliegenden Erfindung wird das binäre Phasendiagramm des tatsächlichen mischbaren Binärsystems und die Hebelregel angewendet, um einen klaren und eindeutigen Zusammensetzungsbereich des mischbaren Binärsystems gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung zu definieren. Die Bestimmungsmethode ist auf zwei materialspezifischen Konstanten verankert, den Schmelzpunkten für 100 % reines A und 100 % reines B, Tliq,A und Tliq,B. Dann wird durch reine Wahl die Isotherme (Verbindungslinie) bei einer Temperatur T1 gleich dem mittleren Wert von Tliq,A und Tliq,B aufgebracht, um die Zusammensetzung Cα der α-Phase bei Temperatur T1 und die Zusammensetzung Cliq der flüssigen Phase bei Temperatur T1 zu bestimmen. Der Schnittpunkt zwischen der Soliduslinie und der Verbindungslinie für die Temperatur T1 zeigt die Zusammensetzung, Ca, der α-Phase (bei Temperatur T1) an, und der Schnittpunkt zwischen der Verbindungslinie und der Liquiduslinie zeigt die Zusammensetzung, Cliq, der flüssigen Phase (bei Temperatur T1). Die Verbindungslinie ist in dargestellt und durch die Referenznummer 6 gekennzeichnet. Die Zusammensetzung Cα wird durch die geheftete Linie 7 und die Zusammensetzung Cliq durch die geheftete Linie 8 angezeigt. Die Hebelregel gibt an, dass der Anteil der α-Phase, fa, der in der matschigen Zone für ein binäres System im thermodynamischen Gleichgewicht bei der Temperatur T1 mit der Zusammensetzung C0 vorhanden ist, durch das Verhältnis des Abschnitts der Verbindungslinie von der Gesamtzusammensetzung C0 zur flüssigen Zusammensetzung Cliq über die Länge der Verbindungslinie von Cα bis Cliq gegeben ist, und der Anteil der flüssigen Phase fliq durch das Verhältnis des Abschnitts der Verbindungslinie von der C0-Zusammensetzung zur Zusammensetzung Cα über die Länge der Verbindungslinie von Cα bis Cliq gegeben ist: f α = ( C l i q − C 0 ) ( C l i q − C α )   a n d   f l i q = ( C 0 − C α ) ( C l i q − C α )
    Figure DE112017001768T5_0002
  • Die kohärente und kontinuierliche einzelne feste Lösungsphase, die sich über die Grenzschicht erstreckt, kann über einen Bereich von Brüchen des α-Phaseninhalts in der matschigen Zone gebildet werden. Die vorliegende Erfindung nach dem ersten und zweiten Aspekt nutzt somit Eqn. (1) (d.h. die Hebelregel) und das Phasendiagramm für das mischbare Binärsystem, um eindeutige materialspezifische Konstanten zu definieren, die zusammen mit einem spezifizierten Bereich für den Anteil der α-Phase eine klare und präzise Bestimmung des Gesamtzusammensetzungsbereichs des mischbaren Binärsystems nach der vorliegenden Erfindung ermöglichen. Das heißt, die Gesamtzusammensetzung, C0, des mischbaren binären Systems der Komponente A und B sollte im Bereich von, wie durch den gegebenen Bereich von fα und Eqn. (1) definiert, liegen: C 0 = C l i q − f α ( C l i q − C α )
    Figure DE112017001768T5_0003
    wenn die Zusammensetzung der α-Phase, Cα und die flüssige Phase, CLiq werden durch die Schnittpunkte zwischen der Verbindungslinie bei der Temperatur T1 = (Tliq,A + Tliq.B)/2 und dem Solidus und der Liquiduslinie bestimmt, und der Bruch fα liegt im Bereich von[0.26, 1]. Dieser Bereich für C0 ist in durch die mit „C0“ gekennzeichnete geschweifte Klammer gekennzeichnet.
  • Die Ober- und Untergrenze des Bruchteils fα wird aus dem Folgenden bestimmt: Es ist offensichtlich, dass die mechanische Steifigkeit der Verbindungsschicht (bei Temperaturen über der Solidustemperatur) mit zunehmendem Anteil der α-Phase steigt. Somit liegt die Obergrenze für den Bereich der α-Phase so nah wie möglich am Fangpunkt zwischen der Verbindungslinie bei T1 und der Soliduslinie, d.h. bis zu einem Bruchteil, fa, der gleich eins ist, aber nicht eingeschlossen ist. Die Bestimmung der unteren Grenze der Fraktion basiert auf einer experimentellen Beobachtung, dass die flüssigen Phasen in der Bindeschicht nach der Erfindung oft dazu neigen, als Phasen mit sphärischen, ellipsoiden oder ähnlichen Formen in der Matrix der porösen oder kohärenten kontinuierlichen Struktur der α-Phase dispergiert zu werden. Der Anteil des freien Raums oder der Porosität in einem Material, das aus sphärischen Partikeln gleicher Größe (unabhängig von der Korngröße) besteht, die in einem rhomboedrischen Muster verpackt sind, beträgt 0,26[3]. Diese Fraktionen stellen den minimalen Raum dar, der von der α-Phase eingenommen werden muss, um sicherzustellen, dass der Anteil der flüssigen Phase als separate Kugeln vorliegt, die in der α-Phase dispergiert sind, d.h. die α-Phase als poröse und kohärente kontinuierliche Struktur vorliegt. Somit liegt der maximale Bereich für den Bruch fα nach dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung im Bereich von: [0.26, 1). Alternativ dazu liegt der Bruch fα in einem der folgenden Bereiche:
    • [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99];[0.30, 0.98];[0.36, 0.97];[0.42, 0.96];[0.48, 0.95];[0.52, 0.94];[0.58, 0.93];[0.64, 0.92];[0.72, 0.91];[0.95, 0.99]; oder[0.80, 0.90].
  • Darüber hinaus kann die poröse und kohärente kontinuierliche Einkristalllösungsstruktur in jedem System mit einem Mischphasenfeld mit einer festen und flüssigen Phase, d.h. einer „mushy zone“, gebildet werden. Ein weiteres binäres System, das für die vorliegende Erfindung gut geeignet ist, sind teilweise mischbare binäre Systeme, bei denen die Komponenten A und B nicht über den gesamten Bereich von 100 % reinem A bis 100 % reinem B vollständig mischbar sind, sondern sich in ein Zweiphasenfeld im festen Bereich trennen, das aus zwei verschiedenen Phasen der festen Lösung besteht (a und β), wenn die Menge von A und B in der Gesamtzusammensetzung höher wird als die Löslichkeit von B im Kristallgitter von A bzw. die Löslichkeit von A im Kristallgitter von B. Wenn der zweiphasige Feldbereich ausreichend groß wird, um die Soliduslinie zu berühren, gilt das System als eutektisches Binärsystem. Der Begriff „eutektisches binäres System der Komponente A und der Komponente B“, wie hierin verwendet, bezeichnet jede Zusammensetzung aus zwei Komponenten A und B, die eine oder zwei feste Phasen, α und/oder β, bilden kann, abhängig von der Gesamtzusammensetzung der Zusammensetzung und ihrer Temperatur. Die α-Phase ist eine feste Lösung der Komponente A mit einer Menge an B-Atomen, die in ihrem Grundgitter (von A-Atomen) gelöst sind, und umgekehrt ist die β-Phase eine feste Lösung der Komponente B mit einer Menge an A-Atomen, die in ihrem Grundgitter (von B-Atomen) gelöst sind.
  • Ein Beispiel für ein typisches Phasendiagramm eines eutektischen binären Systems der Komponente A und der Komponente B ist in 2 dargestellt. Der feste Bereich eutektischer binärer Systeme enthält typischerweise drei Phasenfelder. Links bei hohen Gehalten an A befindet sich ein Phasenfeld, das aus einer festen Lösung von B-Atomen besteht, die im Kristallgitter von A gelöst sind und in 2 als α-Phase bezeichnet werden. Ganz rechts, bei hohen Gehalten an B, ist das Phasenfeld eine feste Lösung von A-Atomen, die im Kristallgitter von B gelöst sind, in 2 als β-Phase bezeichnet. Das Phasenfeld zwischen diesen beiden ist ein festes Gemisch, genauer gesagt ein zweiphasiges Feld sowohl der α-Phase als auch der β-Phase. Die in 2 mit der Referenznummer 11 markierte Linie wird oft als Solvuslinie bezeichnet und stellt die Löslichkeitsgrenze von B in A dar, und entsprechend ist die in 2 mit der Referenznummer 12 markierte Linie die Solvuslinie, die die Löslichkeitsgrenze von A in B darstellt. Die Soliduslinie ist mit der Referenznummer 13 markiert. Die Löslichkeit von A in B oder umgekehrt B in A kann für einige eutektische binäre Legierungen so niedrig sein, dass sie für alle praktischen Mittel als Nulllöslichkeit angesehen werden kann. In solchen Fällen kann die Solvuslinie 11 und/oder 12 auf die Ordinatenachse bei 100 % A und/oder 100 % B im Phasendiagramm fallen und nicht von dieser zu unterscheiden sein.
  • Die Liquidusleitung ist in 2 mit der Referenznummer 14 gekennzeichnet. Wie in der Abbildung zu sehen ist, gibt es ein lokales Minimum in der Liquiduslinie, wo es sich mit der Soliduslinie schneidet. Dies ist der eutektische Punkt und ist in 2 mit der Referenznummer 15 gekennzeichnet. Eine Besonderheit eutektischer binärer Systeme ist, dass sie mindestens zwei „matschige Zonen“ bilden können, eine bei „A-reichen“ Kompositionen links vom eutektischen Punkt und eine bei „B-reichen“ Kompositionen rechts vom eutektischen Punkt. Gesamtzusammensetzungen, die in den Bereich des Phasendiagramms links vom eutektischen Punkt fallen, werden oft als hypoeutektische Zusammensetzungen bezeichnet. Dementsprechend werden Gesamtzusammensetzungen, die in den Bereich des Phasendiagramms rechts vom eutektischen Punkt fallen, oft als übereutektische Zusammensetzungen bezeichnet.
  • Am eutektischen Punkt ist die Gesamtzusammensetzung des eutektischen Binärsystems so, dass beim Erreichen der Liquidustemperatur sowohl die α-Phase als auch die β-Phase gleichzeitig erstarren. Somit weist das eutektische Binärsystem bei dieser spezifischen Zusammensetzung, die üblicherweise als eutektische Zusammensetzung bezeichnet wird, einen einzigen gut definierten Schmelz- (und Erstarrungs-) Punkt auf, so dass die Liquidustemperatur gleich der Solidustemperatur ist, d.h. bei (gemäßigten) Temperaturen oberhalb der eutektischen Temperatur vollständig flüssig und bei Temperaturen unterhalb der eutektischen Temperatur vollständig fest ist. Dies ist ein invarianter Punkt, an dem drei konjugierte Phasen koexistieren. Dies ist der Grund, warum beim konventionellen Bonden durch Löten Lotpasten mit oder in der Nähe der eutektischen Zusammensetzung, oft als off-eutektisches Löten bezeichnet, bevorzugt werden.
  • Das einfachste eutektische Binärsystem hat zwei „matschige Bereiche“ entweder der α-Phase und einer flüssigen Phase (bei hypotektischen Zusammensetzungen) oder der β-Phase und einer flüssigen Phase (bei übereutektischen Zusammensetzungen). Diese beiden „matschigen Bereiche“ eines eutektischen binären Systems können angewendet werden, um die poröse, kohärente und kontinuierliche Bindungsstruktur einer einzigen festen Lösungsphase gemäß der Erfindung zu bilden. Für das eutektische Binärsystem ist es jedoch vorteilhaft, andere „Verankerungspunkte“ im Phasendiagramm anzuwenden, um die Gesamtzusammensetzung, C0, des eutektischen Binärsystems zu bestimmen. Bei Verwendung eines eutektischen binären Systems zur Bildung der Bindung nach der vorliegenden Erfindung können die „Verankerungspunkte“ für die Bestimmung des Gesamtzusammensetzungsbereichs vorteilhaft der Schmelzpunkt für 100 % reines A, Tliq,A und die eutektische Temperatur, Teut, für hypoeutektische Zusammensetzungen und der Schmelzpunkt für 100 % reines B, Tliq,B und die eutektische Temperatur, Teut, für übereutete Zusammensetzungen sein. Andernfalls wird das gleiche Bestimmungsverfahren angewendet.
  • Im Falle der Anwendung eines eutektischen binären Systems mit einer hypoeutektischen Gesamtzusammensetzung kann also der Anteil der bei einer gegebenen Temperatur T1 vorhandenen α-Phase bestimmt werden, indem eine Verbindungslinie bei Temperatur T1 gezogen wird, die vom Schnittpunkt der Soliduslinie 13 zum Schnittpunkt der Liquiduslinie 14 im hypoeutektischen Bereich des Phasendiagramms des eutektischen binären Systems verläuft. Der Schnittpunkt zwischen der Soliduslinie und der Verbindungslinie zeigt die Zusammensetzung, Ca, der α-Phase (bei Temperatur T1), und der Schnittpunkt zwischen der Verbindungslinie und der Liquiduslinie zeigt die Zusammensetzung, Cliq, der flüssigen Phase (bei Temperatur T1). Ein Beispiel für eine Verbindungslinie im untereutektischen Bereich ist in 2 dargestellt und durch die Referenznummer 16 gekennzeichnet. Die Zusammensetzung Cα wird durch die geheftete Linie 17 und die Zusammensetzung Cliq durch die geheftete Linie 18 angezeigt. Der resultierende Gesamtzusammensetzungsbereich für das eutektische binäre System der Komponenten A und B im hypoeutektischen Bereich sollte im Bereich von: C 0 = C l i q − f α ( C l i q − C α )
    Figure DE112017001768T5_0004
    wobei die Zusammensetzung der α-Phase, Cα und die flüssige Phase, CLiq werden durch die Schnittpunkte zwischen der Verbindungslinie bei der Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 und dem Solidus und der Liquiduslinie bestimmt, und der Bruch fα liegt im Bereich von[0.26, 1). Dieser Bereich für C0 ist in durch die mit „C0“ gekennzeichnete (linke) geschweifte Klammer gekennzeichnet. Alternativ dazu liegt der Bruch fα in einem der folgenden Bereiche: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99];[0.30, 0.98];[0.36, 0.97];[0.42, 0.96];[0.48, 0.95];[0.52, 0.94];[0.58, 0.93];[0.64, 0.92];[0.72, 0.91];[0.95, 0.99]; oder[0.80, 0.90].
  • Ebenso kann im Falle der Anwendung eines eutektischen binären Systems mit einer hypereutektischen Gesamtzusammensetzung die Gesamtzusammensetzung C0 durch Zeichnen einer Verbindungslinie 19 im hypereutektischen Bereich des Phasendiagramms des eutektischen binären Systems bei der Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 bestimmt werden, um die Zusammensetzung der β-Phase zu bestimmen, Cβ und die Zusammensetzung der flüssigen Phase, CLiq durch die Schnittpunkte zwischen der Verbindungslinie und dem Solidus und der Liquiduslinie im übereutektischen Bereich des Phasendurchmessers Gramm. In diesem Fall gibt die Hebelregel den Anteil der β-Phase an, Cβ die in der matschigen Zone für ein binäres System im thermodynamischen Gleichgewicht bei der Temperatur T1 mit der Zusammensetzung C0 vorhanden sind, durch das Verhältnis des Abschnitts der Verbindungslinie von der Gesamtzusammensetzung C0 zur flüssigen Zusammensetzung Cliq über die Länge der Verbindungslinie von Cβ bis Cliq gegeben ist, und der Anteil der flüssigen Phase fliq durch das Verhältnis des Abschnitts der Verbindungslinie von der Zusammensetzung C0 zur Zusammensetzung Cβ über die Länge der Verbindungslinie von Cβ bis Cliq gegeben ist: f β = ( C 0 − C l i q ) ( C β − C l i q )   a n d   f l i q = ( C β − C 0 ) ( C β − C l i q )
    Figure DE112017001768T5_0005
  • Im Falle eines eutektischen binären Systems der Komponenten A und B mit einem hyper-eutektischen Zusammensetzungsbereich, gibt eqn. (3) und die Hebelregel an, dass die gesamte Zusammensetzung, C0, im Bereich von liegen sollte, wie durch den gegebenen Bereich von fβ und Eqn. (3) definiert: C 0 = f β ( C β − C l i q ) + C l i q
    Figure DE112017001768T5_0006
    wenn die Zusammensetzung der β-Phase, Cβ und die flüssige Phase, CLiq werden durch die Schnittpunkte zwischen der Verbindungslinie bei der Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 und dem Solidus und der Liquiduslinie bestimmt, und der Bruch fβ liegt im Bereich von[0.26, 1). Dieser Bereich für C0 wird in durch die (rechte Seite) geschweifte Klammer mit der Aufschrift „C0“ dargestellt. Alternativ dazu liegt der Bruch fβ in einem der folgenden Bereiche: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99];[0.30, 0.98];[0.36, 0.97];[0.42, 0.96];[0.48, 0.95];[0.52, 0.94];[0.58, 0.93];[0.64, 0.92];[0.72, 0.91];[0.95, 0.99]; oder[0.80, 0.90].
  • Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung gegenüber den modernen Verbindungstechnologien ist, dass die Verbindung die Wahl der Gesamtzusammensetzung des Binärsystems ist. Genauer gesagt, wird die Gesamtzusammensetzung des mischbaren oder teilmischbaren binären Systems, das zur Bildung der Bindung verwendet wird, so abgestimmt, dass es bei Temperaturen oberhalb der Solidustemperatur (und unterhalb der Liquidustemperatur) nicht vollständig im festen Zustand im thermodynamischen Gleichgewicht ist, sondern teilweise im festen und teilweise im flüssigen Zustand. Nach Kenntnis des Erfinders stimmt der Stand der Technik die Zusammensetzung der Bindematerialien so ab, dass sie entweder vollständig im flüssigen Zustand über der Solidustemperatur (eutektische Zusammensetzungen oder nahezu eutektische Zusammensetzungen und reine Elementarzusammensetzungen) oder vollständig im festen Zustand (als einphasige feste Lösung oder intermetallische Verbindung) vorliegen.
  • Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass die Bindung bei einer relativ niedrigen Prozesstemperatur gebildet werden kann, die niedriger sein kann als die vorgesehene Betriebstemperatur der Bindung, ähnlich wie z.B. SLID-Bonden oder TLP-Bonden. Die vorliegende Erfindung hat jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass die Bindeschicht teilweise wieder aufgeschmolzen wird, wenn die Betriebstemperatur höher als die Solidustemperatur wird, im Gegensatz zu SLID-Bindungen oder TLP-Bindungen, die bei Temperaturen weit über der Temperatur, bei der die Bindung hergestellt wurde, vollständig im festen Zustand bleiben. Das teilweise Umschmelzen der Bindungsschicht gemäß der Erfindung soll den Vorteil bieten, thermische Spannungen in der Bindung freizusetzen, Zonen mit signifikanten Fehlerkonzentrationen an den Korngrenzen möglicherweise wiederherzustellen und wahrscheinlich auch das Auftreten des schädlichen Kirkendall-Leereffekts zwischen den Bindungskomponenten zu reduzieren. Somit gelten die Verbindungen nach der vorliegenden Erfindung als widerstandsfähiger, wenn sie thermischen Belastungen wie Zyklen- und Hochtemperaturbetrieb ausgesetzt sind, insbesondere wenn der thermische Zyklus Temperaturen über der Solidustemperatur aufweist. Ein weiterer Vorteil der Verbindung nach der Erfindung besteht darin, dass zerbrechliche intermetallische Verbindungen, wie sie manchmal in SLID-Bindungen vorkommen, vermieden werden und dass die Bindungen zu deutlich kürzeren Verarbeitungszeiten gebildet werden können als bei TLP-Bindungen. Die Erfindung ermöglicht es auch, Verbindungen aus Materialsystemen mit sehr begrenzter gegenseitiger Löslichkeit herzustellen, wie beispielsweise dem In-Si-System. Für solche Systeme ist das TLP aufgrund extremer geometrischer Anforderungen wie Bindeschichtdicken, Oberflächenrauhigkeit und Ebenheit nicht praktikabel.
  • Die Erfindung kann jedes binäre System der Komponenten A und B auf eine Gesamtzusammensetzung anwenden, wie vorstehend für den ersten und zweiten Aspekt der Erfindung angegeben, die es ermöglicht, die kohärente einzelne feste Lösungsphase zu bilden, die sich über eine Verbindungsschicht erstreckt, die die Fähigkeit hat, mechanische Lasten zu tragen. Beispiele für geeignete mischbare binäre Systeme der Komponente A und der Komponente B sind unter anderem: Ge-Si, Mo-W, Nb-W und V-W. Beispiele für geeignete, teilweise mischbare Binärsysteme der Komponente A und der Komponente B sind unter anderem: Ag-Bi, Ag-Cu, Ag-Ge, Ag-Mo, Ag-Pb, Ag-Si, Ag-Ti, Al-Be, Al-Bi, Al-Ga, Al-Ge, Al-N, Al-Sn, Au-Bi, Au-Ge, Au-Mo, Au-Sb, Au-Si, Au-W, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Ni, Bi-Sn, Cr-Sn, Cu-Si, Fe-In, Ga-Ge, Ga-Si, Ga-Zn, Ge-In, Ge-Pb, Ge-Sb, Ge-Sn, Ge-Zn, In-Si, In-Si, In-Zn, Pb-W, Pd-W, Sb-Si, Si-Sn, Si-Zn, Sn-Zn oder SiO2-Al2O3. Von diesen binären Systemen haben sich die folgenden Systeme als besonders bevorzugte Systeme zur Bildung der Verbindung der vorliegenden Erfindung erwiesen: Al-Ge, Al-Sn, Au-Ge, Au-Si, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Sn, Ga-Ge, Ge-In, In-Si und Si-Sn.
  • Die Grenzschicht, die aus der Mischung des binären Systems gemäß der Erfindung besteht, kann nach jedem Verfahren gebildet werden, das einem Fachmann bekannt oder vorstellbar ist. Eine mögliche exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der Verbindung nach dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung ist in den 3a) und 3b) schematisch dargestellt. In ) ist eine erste Komponente schematisch als Rechteck mit der Referenznummer 20 dargestellt. Die erste Komponente 20 steht kurz davor, mit einer Vorform der Verbindungsschicht, die in diesem Fall aus einer Sandwichstruktur einer oberen Schicht aus Komponenten A, einer Zwischenschicht der Komponente B und einer unteren Schicht der Komponente A besteht, in Kontakt zu treten. Die Gesamtmengen von A und B in der Sandwichstruktur, gekennzeichnet mit der Referenznummer 24, werden so eingestellt, dass die Gesamtzusammensetzung C0 innerhalb eines der oben für den ersten und zweiten Aspekt der Erfindung angegebenen Intervalle liegt. Eine zweite Komponente, die mit der ersten Komponente verklebt werden soll, wird als Rechteck mit der Referenznummer 22 dargestellt, das zwischen seiner Verbindungsfläche 23 und derselben Vorform 24 der Verbindungsschicht in Kontakt gebracht werden soll. Alternativ kann die Sandwichstruktur auch dadurch gebildet werden, dass die Komponente A zwischen zwei Schichten der Komponente B angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, wenn die Komponente B einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Komponente A aufweist. Wenn sich die Verbindungsflächen 21, 23 der ersten 20 und der zweiten 22 Objekte in Bezug auf die Vorform 24 befinden, wird die Sandwichstruktur auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Komponenten A und B die tragende kohärente und kontinuierliche einphasige feste Lösung entweder der α-Phase oder der β-Phase der Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung durch Diffusion bilden. Die resultierende Struktur ist schematisch in 3b) dargestellt, wobei das zweiphasige Gemisch aus entweder einer einphasigen festen Lösung α-Phase und einer flüssigen Phase der A- und B-Komponenten oder alternativ einem zweiphasigen Gemisch aus einer einphasigen festen Lösung β-Phase und einer flüssigen Phase der A- und B-Komponenten mit der Referenznummer 25 gekennzeichnet ist.
  • Wie bereits erwähnt, kann die flüssige Phase im zweiphasigen Gemisch der Bindeschicht als mehr oder weniger gleich große sphärische Phasen in einer Matrix der einphasigen festen Lösung (entweder der α-Phase oder der β-Phase) dispergiert werden. 4a) ist eine Zeichnung, die die resultierende tragende kohärente und kontinuierliche einphasige feste Lösung entweder der α-Phase oder der β-Phase der Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn die mehr oder weniger gleich großen kugelförmigen Phasen in einer Matrix der einphasigen festen Lösung (in der Abbildung als leere Löcher gekennzeichnet) kubisch verpackt sind, wobei in diesem Fall der Anteil fα oder fβ 0,48 beträgt. ) zeigt eine weitere mögliche Konfiguration der tragenden kohärenten und kontinuierlichen einphasigen festen Lösung entweder der α-Phase oder der β-Phase der Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich aus der rhomboedrischen Dichtung der mehr oder weniger gleich großen sphärischen Phasen in einer Matrix der einphasigen festen Lösung ergibt. Im letzteren Fall ist der Bruchteil fα oder fβ 0,26.
  • Die Erfindung nach dem ersten und zweiten Aspekt kann jede denkbare und praktische Dicke der Klebeschicht der Verbindung nach der vorliegenden Erfindung aufbringen. Die tatsächliche Dicke kann um mehrere Größenordnungen variieren, je nachdem, welches Binärsystem angewendet wird und auf welche Anwendung die Verbindung angewendet wird. In der Praxis kann die Dicke der Verbindungsschicht vorteilhaft in einem der folgenden Bereiche liegen: von 1 bis 1000 µm, von 2 bis 800 µm, von 3 bis 600 µm, von 5 bis 400 µm, von 6 bis 200 µm, von 7 bis 100 µm, von 8 bis 50 µm, von 9 bis 30 µm oder von 10 bis 20 µm.
  • Das binäre System, das nach der vorliegenden Erfindung in die Verbindungsschicht der Verbindung einzubringen ist, kann jede beliebige Mischung sein, entweder chemisch oder physikalisch, aus zwei Komponenten, die bei der Wärmebehandlung durch Diffusion in die Zweiphasen-Feldmischung übergeht, wobei eine der Phasen eine kohärente und kontinuierliche Tragkonstruktion entweder der α-Phase oder der β-Phase ist. Die Sandwichstruktur, die zur Bildung der Verbindung nach der Erfindung wärmebehandelt werden soll, bestehend aus dem ersten und zweiten festen Gegenstand mit einer dazwischenliegenden Zwischenschicht des binären Systems, kann in jeder bekannten oder denkbaren Weise hergestellt werden. Zum Beispiel durch die Komponenten A und B in Form eines Stapels von zwischengeschalteten festen Plattenmaterialien, wie in 3a) schematisch dargestellt, in Form einer Schicht aus einer Pulvermischung von Teilchen der A-Komponente und der B-Komponente, einer Kombination von Pulver und Plattenmaterialien etc. Vorzugsweise umfasst die Verbindungsschicht der Sandwichstruktur eine Anzahl von dünnen Schichten der A-Komponente, die in einem abwechselnden Muster mit einer Anzahl von dünnen Schichten des B-Komponentens angeordnet sind, wie in 3a) bei zwei Schichten der A-Komponente und einer Schicht der B-Komponente schematisch dargestellt. Es kann eine wesentlich höhere Anzahl von Blechen sowohl der A- als auch der B-Komponente als in ) aufgebracht werden, um die Kontaktfläche zwischen den Komponenten zu vergrößern und somit die erforderliche Interdiffusionszeit zur Bildung der kohärenten und kontinuierlichen Tragkonstruktion zu verkürzen. Alternativ ist auch die Verwendung einer Reihe von Blättern vorgesehen, die Blätter einer eutektischen Zusammensetzung aus A und B umfassen, die zwischen Blättern der A- oder B-Komponente eingefügt sind.
  • Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, eine oder mehrere Adhäsionsschicht(en) einzubeziehen, die zwischen der Verbindungsfläche 21, 23 des ersten bzw. zweiten Objekts und der Verbindung 25 gemäß der Erfindung angeordnet sind. Ebenso kann es vorteilhaft sein, mindestens eine Diffusionssperrschicht einzubauen, wenn die Interdiffusion zwischen Verbindung und Objekt eingeschränkt werden muss. Eine angrenzende Verarmungsschicht kann auch zur weiteren Konzentrationskontrolle der endgültigen Fugenzusammensetzung einbezogen werden.. Die Depletionsschicht kann auch zur Prozesssteuerung verwendet werden, um Diffusionsraten und Prozesszeiten zu verbessern. Die vorliegende Erfindung kann jedes bekannte oder denkbare Material für die Haftung, die Diffusionsbarriere oder die Verarmungsschicht beinhalten.
  • Der hierin verwendete Begriff „erstes oder zweites Objekt“ bezeichnet jedes physikalische Objekt, das mit Materialien wie z.B. Si, SiC, GaAs, GaN, (SOI), Aluminiumoxid, AlN, Si3N4, Glas, Kovar, Cu, Al usw. und/oder Komponenten wie z.B. MEMS, Transistoren, Substrate, Widerstandskondensator, IC, Dioden usw. verbunden werden soll.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein typisches Phasendiagramm eines vollständig mischbaren binären Systems.
    • 2 ist ein typisches Phasendiagramm eines eutektischen binären Systems.
    • ) ist eine von der Seite gesehene Zeichnung, die schematisch eine exemplarische Ausführungsform der Bildung der Sandwichstruktur nach der Erfindung darstellt.
    • 3b) ist eine Zeichnung der in 3a) dargestellten exemplarischen Ausführungsform, nachdem eine Wärmebehandlung die Verbindung gemäß der Erfindung erhalten hat.
    • Die 4a) und 4b) sind Zeichnungen, die exemplarische Ausführungsformen möglicher Konfigurationen der kohärenten und kontinuierlichen Tragkonstruktion der Verbindung gemäß der Erfindung veranschaulichen.
    • 5 ist eine von der Seite gesehene Zeichnung, die schematisch eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 6 ist eine optische Mikroskopaufnahme des Querschnitts einer Verbindung einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 7 a) ist ein REM-Aufnahme der resultierenden Verbindung in einer Probe, die einer kurzen Wärmebehandlung von einigen Minuten bei einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur ausgesetzt ist.
    • 7 b) ist eine REM-Aufnahme einer ähnlichen Verbindung in einer Probe, die wie die Probe aus 7 a) behandelt und zusätzlich 4 Stunden lang bei 300 °C getempert wurde.
    • 8 ist eine schematische Darstellung von der Seite eines binären Au-Ge-Systems aus gesehen, das in einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung angewendet wird.
    • 9 ist eine optische Aufnahme einer Verbindung nach der Erfindung im Au - Ge-System.
    • 10 ist eine REM-Aufnahme eines Abschnitts derselben Bindung, wie in 9 dargestellt.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung wird am Beispiel der Ausführungsformen einer Verbindung nach der Erfindung näher beschrieben.
  • Ausführungsform des ersten Beispiels
  • Die Verbindung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein Au-reiches Au-Ge Binärsystem, das ein erstes Objekt aus SiC mit einem zweiten Objekt aus Si3N4 verbindet.
  • Materialien
  • Ein eutektischer Au-Ge-Preform wurde zwischen einem Dummy-Chip aus SiC (Bipolar-Junction-Transistor oder BJT) und einem Si3N4-Substrat eingeklemmt. Der Chip hatte eine gesputterte Ni2Si (140 nm)/Ni (300 nm)/Au (100 nm) Metallisierung. Die Substrate hatten aktive metallgebundene (AMB) Cu (150 µm) Leiter, die mit Ni-P (7 Gew.-% P) beschichtet waren. Eine symmetrische Metallisierung (Cu/Ni-P) war sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des Substrats vorhanden, um den Verzug zu minimieren. Sowohl Chips als auch Substrate wurden mit einer einheitlichen 5 µm Au-Schicht unter Verwendung einer Goldcyanidlösung in einem Temperaturbereich von 333 K bis 338 K (60 °C bis 65 °C) und einer Stromdichte von 2,7 mA/cm galvanisiert. Die Substrate wurden in 6 × 6 mm2 Proben gewürfelt, während die Chips nach der Beschichtung in 3,4 × 1,86 mm2 Proben gewürfelt wurden. Es wurde ein 25 µm dicker, 1,86 mm breiter und 3,4 mm tiefer kommerzieller Preform von Goodfellow mit einer eutektischen Au-Ge Gesamtzusammensetzung (Au 72 Atom% und 28 Atom% Ge) verwendet. Der Materialstapel ist in dargestellt. Die Gesamtmenge an Au und Ge in diesem Binärsystem, wie in 5 zu sehen ist, d.h. die 5 µm dicke Goldschicht auf dem Dummy-Chip, die 5 µm dicke Goldschicht auf dem Si3N4-Substrat und die 25 µm dicke Schicht aus eutektischem Au-Ge Vorformling, betrug 3,08 mg Au und 0,13 mg Ge, entsprechend einer Gesamtzusammensetzung von 11,5 Atom-% Ge und 88,5 Atom-% Au.
  • Fertigung
  • Der Chip und die Vorform wurden manuell auf die Oberseite des Substrats ausgerichtet. Der Stapel wurde dann auf eine Heizplatte gelegt. Der Klebeprozess wurde in einer trockenen Stickstoffumgebung in einem maßgeschneiderten Bonder durchgeführt. Zur Regelung der Prozesstemperatur wurde eine Heizplatte der Harry Gestigkeit GmbH PZ 28-3TD mit einem PR5-3T Programmiergerät verwendet. Sie wurde über die eutektische Schmelztemperatur von ca. 360 °C angehoben. Die Gesamtzeit über der eutektischen Temperatur betrug etwa 6 Minuten, um genügend Zeit für die ordnungsgemäße Durchführung der flüssigen und festen Diffusionsprozesse zu haben. Ein Blei wurde verwendet, um einen Verbunddruck von ca. 1000 kPa zu erzeugen. Der angewandte Druck drückte überschüssiges Material aus der Verbindungsstelle heraus und minimierte so das aktive Volumen des eutektischen Materials für den die Verbindung bildenden Interdiffusionsprozess. Der Druck sicherte auch einen thermomechanischen Kontakt zwischen Chip und Substrat. In den folgenden 4 Stunden wurde die Temperatur dann langsam auf Raumtemperatur reduziert. Die Temperatur wurde mit einem J-Thermoelement gemessen, das in die Leitung auf dem Chip integriert ist. Das vollständige Schmelzen (Reflow) der Preform wurde durch Messung der Verdrängung der Leitung während des Bondens mit einer µm-Verschiebesonde (TESA) gemessen.
  • Es wurden 13 Proben mit leicht unterschiedlichen Prozessparametern vorbereitet. Zusätzlich wurde eine Probe vorbereitet, die den Chip mit einem identischen Substrat wie in austauscht, d.h. ein vollständig symmetrisches System mit einer stark reduzierten CTE-Fehlanpassung bildet.
  • Bond-Konfiguration
  • Die Verbindung wurde aus einem Stapel verschiedener Materialschichten für spezifische Zwecke hergestellt. Die Ni-Schicht hat eine kombinierte Funktion. Es bildet eine grundlegende Diffusionsbarriere zwischen benachbarten Metallschichten und als Depletionsschicht zur Reduzierung der Konzentration von gelösten Stoffen in der Endverbindung. Um Saatgut für die endgültige Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen, wurde Au für die Bindungsschichten vorbereitet. Der eutektische Au-Ge-Preform bietet gute Benetzungseigenschaften in der Flüssigphase.
  • Charakterisierung
  • Die Überprüfung der Prozesskomplettierung wurde durch Nacherwärmung von gefertigten Proben über die eutektische Temperatur der Ausgangsvorform hinaus unter Anwendung einer kleinen Scherkraft evaluiert, um einen möglichen gemeinsamen Reflow zu erkennen. Die maximal geprüfte Temperatur erreichte bis zu ca. 600 °C.
  • Die Bondgüte wurde durch zerstörende Scherprüfung (Nordson Dage 4000 Plus Schergerät mit 200 kgf Lastkartusche) geprüft.
  • Die Fraktographie wurde dann durch visuelle Inspektion der Bruchflächen in einem optischen Mikroskop (Olympus) durchgeführt. Die berichtete Festigkeit wird auf die tatsächliche Verbindungsfläche normiert. Der Versagensmodus wurde als adhäsiver Bruch, kohäsiver Bruch oder eine Mischung aus beidem klassifiziert. Kleben bedeutet, dass sich die Bruchfläche zwischen benachbarten Metallschichten, z.B. Ni und Au-Ge, befand. Kohäsiv bedeutet, dass die Fraktur in einer einzigen Schicht bis zum Volumen lokalisiert wurde.
  • Der Querschnitt der „as bonded“-Proben wurde mit Hilfe der optischen Mikroskopie (Neophot 32) und der Rasterelektronenmikroskopie (REM) (FEI Nova NanoSEM 650) untersucht. Die Proben wurden durch Schleifen und Polieren auf den Querschnitt vorbereitet. Der Schliff stoppte bei Grad 2000, bevor die Vorbereitung mit dem Polieren mit einem Tuch und einer 5 µm Diamantpaste fortgesetzt wurde. Vor der Durchführung des REM wurden die Proben mit einer dünnen Kohlenstoffschicht beschichtet.
  • Die gemeinsame Zusammensetzung wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS oder EDX) (Oxford X-MAX 50) bewertet.
  • REM-Aufnahmen von einer Probe einer Verbindung, die einige Minuten lang einer Anfangserwärmung über die Solidustemperatur (d.h. die eutektische Temperatur von ca. 360 °C) unterzogen und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, und einer Probe einer Verbindung, die einige Minuten lang einer Anfangserwärmung über die Solidustemperatur unterzogen und dann auf ca. 300 °C abgekühlt und 4 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten wurde, sind in 7 a) bzw. 7 b) dargestellt. Die morphologische Veränderung des Binärsystems durch die Erwärmung wird auf dem Foto der Probe, die 4 Stunden lang bei 300 °C geglüht wurde, deutlicher dargestellt als die Probe, die nach der ersten Erwärmung nicht geglüht wurde. Diese morphologische Veränderung wird als die poröse, gleichmäßige und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponenten gemäß der Erfindung angesehen. Diese Annahme wird durch die oben genannten Stresstests und die unten aufgeführten Ablöseergebnisse verstärkt.
  • Zuverlässigkeit
  • Die Restfestigkeit nach extremer Thermoschockbehandlung wurde für eine Probe bewertet. Die Probe wurde in ca. 10 Minuten auf ca. 600 °C erhitzt. Dann wurde es in ein Glas Eiswasser bei 0 °C fallen gelassen. Dieser Zyklus wurde dann noch einmal wiederholt. Die Probe wurde dann schergetestet und eine Fraktographie durchgeführt.
  • Prozessabschluss
  • Keine der erwärmten Verbindungen zeigte Anzeichen von Reflow, wenn die Temperatur 360 °C überschritt.
  • Haftfestigkeit
  • Die Festigkeit der gefertigten Proben variierte zwischen wenigen MPa und etwa 50 MPa. Die symmetrische Probe mit zwei miteinander verbundenen Substraten maß eine Festigkeit von mehr als 56 MPa, was der maximalen Belastung (200 kgf) entsprach, die das Schergerät aufbringen konnte, d.h. die Probe wurde nie gebrochen.
  • Fraktographie
  • Die Fraktographie zeigte, dass die meisten Proben während des Bondens richtig reflossen waren. Um die Proben herum war überschüssiges Preformmaterial vorhanden. Diese Proben zeigten kohäsive Bruchflächen der Verbindung selbst. Proben ohne diesen Überschuss an Material, die um die Proben herum vorhanden waren, zeigten Bruchflächen, die als Adhäsionsfraktur zwischen Preform und einer angrenzenden Au-Schicht interpretiert wurden. Einige wenige Proben zeigten auch, dass eine partielle Benetzung an der Verbindungsstelle stattgefunden hatte, was die effektive Verbindungsfläche reduzierte.
  • Querschnitte
  • Querschnitte der gebundenen Proben zeigen typischerweise gleichmäßige Bindungen ohne sichtbare Verbindungslinie (vgl. ). Die endgültigen Verbunddicken lagen bei 9-10 µm. Die Mikroaufnahmen zeigten ferner, dass mindestens zwei verschiedene Materialzusammensetzungen in der Verbindung vorhanden waren. Weitere Untersuchungen ergaben, dass ein Diffusionsprozess zwischen den Bindematerialien, d.h. Au oder Ge, und der angrenzenden Ni-P-Schicht stattgefunden hatte. An einigen Stellen wurden Strukturen gefunden, die wie Seitenrisse aussahen.
  • Verbindungszusammensetzung
  • Die Analyse von Querschnittsproben mittels REM und EDX zeigte, dass die Verbindung hauptsächlich aus einer insgesamt Au-reichen Au-Ge Zusammensetzung mit einer Ge Konzentration zwischen 4 at-% und 5 at-% bestand. Es wurde ferner beobachtet, dass Ge in kleinen „Regionen“ innerhalb einer ansonsten α-Phase (Au mit gelöstem Ge) isoliert wurden. Die Elementaranalyse ergab ferner, dass Ge durch die Au-Ge-Bindung diffundiert war und eine intermetallische Verbindung (IMC) mit dem benachbarten Ni bildete. REM und EDS bestätigten, dass es sich um eine überschüssige Vorform handelte, die um die gebundenen Proben herum vorhanden war.
  • Zuverlässigkeit
  • Die Restfestigkeit der der der Thermoschockbehandlung ausgesetzten Probe wurde auf 12,3 MPa gemessen. Die anschließende Fraktographie zeigte, dass der Frakturmodus in einen adhäsiven Bruch in der Haftschicht auf der Chipseite übergegangen war.
  • Fazit
  • Dies veranschaulicht eine Verbindung mit einer signifikanten Festigkeit oberhalb des Solidus mit einem bemerkenswerten thermischen Zyklenpotenzial.
  • Zweite exemplarische Ausführungsform
  • Die Verbindung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein Au-reiches Au - Ge Binärsystem, das ein erstes Objekt von Si mit einem zweiten Objekt von Si verbindet.
  • Materialien
  • Ein Dummy-Chip aus Silizium und ein Dummy-Substrat aus Silizium mit einer 150 nm dicken TiW-Schicht auf seiner Kontaktseite wurden durch ein binäres Au-Ge-System zwischen den Siliziumsubstraten miteinander verbunden. Das Au-Ge-System hatte eine Gesamtzusammensetzung von 5,4 Atom-% Ge vor der Wärmebehandlung und der Bildung der Bindung. Der Stapel der beiden Siliziumsubstrate ist schematisch von der Seite gesehen in dargestellt.
  • Der Dummy-Chip mit den Abmessungen 1,9 × 1,9 mm2 und einer Dicke von 525 µm ist in der Abbildung als Box 100 dargestellt, seine 2,8 µm dicke Goldschicht ist als Schicht 101 dargestellt, die 25 µm dicke, 1 mm breite und 0,7 mm tiefe Vorform von eutektischem Au-Ge ist als Box 105 dargestellt, das Dummy-Substrat mit den Abmessungen 3,9 × 3,9 mm2 und einer Dicke von 525 µm ist als Box 103 dargestellt, und seine 2,8 µm dicke Goldschicht ist als Schicht 104 dargestellt.
  • Die eutektische Au-Ge Vorform wurde zwischen dem Dummy-Chip von Si und dem Dummy-Substrat von Si eingeklemmt.... Der 25 µm dicke, 1 mm breite und 0,7 mm tiefe kommerzielle Preform wurde von Goodfellow mit einer eutektischen Au-Ge-Zusammensetzung von 72 Atom% Au und 28 Atom% Ge geliefert.
  • Fertigung
  • Der Chip und die Vorform wurden manuell auf das Substrat ausgerichtet, das eine symmetrische Si / Au / Au / Au-Ge / Au / Au / Si-Struktur bildet, und auf eine Heizplatte eines Budatec-Bonders VS160S gelegt, der mit einem kundenspezifischen Probenhalter mit einer Feder zum Zusammendrücken der Struktur ausgestattet ist. Der Klebeprozess wurde im Vakuum durchgeführt. Die Temperatur wurde über die eutektische Schmelztemperatur auf ca. 380 °C angehoben und dann auf ca. 330 °C abgesenkt und bei dieser Temperatur bis zu 10 Stunden lang gepflegt. Der angewandte Druck, ca. 2 MPa, drückte überschüssiges Material aus der Verbindungsstelle heraus und minimierte so das aktive Volumen des eutektischen Materials für den Interdiffusionsprozess, der die Verbindung bildet. Der Druck sicherte auch einen thermomechanischen Kontakt zwischen Chip und Substrat. Der anschließende Glühschritt wurde 10 Stunden lang bei 330 °C durchgeführt, um die gewünschte Morphologie zu bilden; eine feste und kohärente poröse Struktur oberhalb des Solidus.
  • Charakterisierung
  • Ein Integritätstest der hergestellten Verbindung wird durchgeführt, indem die hergestellte Probe auf einer vertikalen Oberfläche (eine Heizplatte von Watlow; Ultramic 600) im Vakuum angebracht wird, wo die Temperatur der Oberfläche kontrolliert werden kann. Ein Gewicht wurde auf die Struktur aufgebracht, wodurch eine Querkraft über die Bindung im Bereich von 20-50 kPa erzeugt wurde. Die Temperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von 30 °C/min bis maximal 600 °C erhöht oder bis sich der Chip vom Substrat gelöst hat. Die gefertigte Verbindung dieser exemplarischen Ausführungsform wurde beobachtet, dass sie sich bei Temperaturen in der Verbindung nicht löst, wenn sie auf 600 °C erwärmt wird, was beweist, dass die Verbindung nach der Erfindung ihre Integrität weit in den „matschigen Bereich“, d.h. weit über die Solidustemperatur (eutektische) von etwa 360 °C hinaus, hinaus behält.
  • Der Querschnitt der „as bonded“-Proben wurde mit Hilfe der optischen Mikroskopie (II Neophot 32) und der Rasterelektronenmikroskopie (REM) (Hitachi SU8320) analysiert. Die Proben wurden durch Würfeln und Ar-Ionenfräsen (Hitachi IM4000) für den Querschnitt vorbereitet. Die gemeinsame Zusammensetzung wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) (Oxford Silicon Drift Detector-XmaxN) bewertet.
  • Verbindungszusammensetzung
  • Die REM- und EDX-Analyse der Bindungsschicht der Probe zeigte, dass die Bindung hauptsächlich aus einer insgesamt Au-reichen Au-Ge Zusammensetzung mit einer Ge Konzentration von etwa 11 at% bestand. Es wurde ferner beobachtet, dass die gewünschte Morphologie erreicht wurde, indem die Ge-Phase in kleinen „Regionen“ innerhalb einer ansonsten α-Phase (Au mit gelöstem Ge) isoliert wurde, ohne dass signifikante Regionen eine eutektische Morphologie zeigten. Diese morphologische Veränderung ist in 9 deutlich zu sehen, die ein optisches Foto der Verbindungsschicht ist, die nach (Niedertemperatur-)Belastungstests aufgenommen wurde, bei denen die Verbindung bricht, so dass das Foto nur einen Ausschnitt des Dummy-Siliziumsubstrats und seine Reste der Verbindungsschicht zeigt. Auf dem Foto ist deutlich zu erkennen, dass sich die Bindungsschicht gegenüber dem eutektischen Au - Ge morphologisch verändert hat, indem ein Teil des Germaniums in graue Bereiche einer Phase mit hohem Ge getrennt wurde. Die Gelbphase ist eine goldreiche α-Phase, von der angenommen wird, dass sie die Verbindungsstruktur nach der Erfindung ist. Dass die Graubereiche reich an Germanium sind und die gelbe Region goldreich ist, wird durch SEM- und EDX-Analysen bestätigt. 10 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts aus dem in 9 dargestellten Bereich (spiegelverkehrt dargestellt). Die Analyse ergab, dass die Gesamtzusammensetzung der Bindungsschicht 11 Atom-% Ge betrug.
  • Fazit
  • Dies deutet auf eine koexistierende strukturelle α Phase (Au) mit einer flüssigen Phase (Au-Ge) über dem Solidus hin. Es zeigt weiterhin eine Endverbindung mit einer signifikanten Festigkeit oberhalb des Solidus.
  • Dritte exemplarische Ausführungsform
  • Die Verbindung nach der dritten Ausführungsform der Erfindung ist ein In-Si-Binärsystem, das ein erstes Objekt von Si mit einem zweiten Objekt von Si verbindet.
  • Materialien
  • Eine 1 µm dicke reine In-Schicht wurde thermisch auf die Bondoberflächen eines Dummy-Chips und eines Dummy-Substrats aus Si aufgetragen. Das Substrat wurde in 3,9 × 3,9 mm2 Proben gewürfelt, während der Chip nach der In Deposition in 1,9 × 1,9 mm2 Proben gewürfelt wurde. Sowohl der Dummy-Chip als auch das Dummy-Substrat waren 525 µm dick. Das In-Si-System hatte eine Gesamtzusammensetzung von 99,86 Atom-% Si vor der Wärmebehandlung und der Bildung der Bindung.
  • Fertigung
  • Der Chip wurde manuell auf die Substrate ausgerichtet und bildete eine symmetrische Si / In / In / In / In / Si-Struktur. Der Stapel wurde dann auf eine Heizplatte (Budatec Bonder VS160S) gelegt. Der Klebeprozess wurde im Vakuum durchgeführt. Sowohl die Prozesstemperatur als auch die Verweilzeit wurden für die gefertigten Proben variiert. Die Temperatur wurde auf ca. 170 °C angehoben. Die Gesamtzeit (Verweildauer) über der eutektischen Temperatur betrug 5 Minuten, gefolgt von einem Glühen nach 10 Stunden bei 135 °C. Der maßgefertigte Probenhalter (vgl. zweites Beispiel) übte einen Druck von ca. 2 MPa aus. Der Druck sicherte einen thermomechanischen Kontakt zwischen Chip und Substrat.
  • Ablösetemperatur
  • Die Probe wurde einem ähnlichen Integritätstest unterzogen, wie er vorstehend für Experiment 2 beschrieben wurde. Die Bindung zeigte bei 400 °C eine signifikante strukturelle Integrität, weit über der Solidustemperatur (eutektisch) von 157 °C des In - Si-Systems.
  • Vierte exemplarische Ausführungsform
  • Die Verbindung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung ist ein Si - Sn Binärsystem, das ein erstes Objekt von Si mit einem zweiten Objekt von Si verbindet.
  • Materialien
  • Eine 200 nm dicke reine Sn-Schicht wurde thermisch auf die Bondoberflächen eines Dummy-Chips und eines Dummy-Substrats aus Si aufgetragen. Das Substrat wurde in 3,9 × 3,9 mm2 Proben gewürfelt, während der Chip nach der Sn-Abscheidung in 1,9 × 1,9 mm2 Proben gewürfelt wurde. Sowohl der Dummy-Chip als auch das Dummy-Substrat waren 525 µm dick. Das Si-Sn-System hatte eine Gesamtzusammensetzung von 99,97 Atom-% Si vor der Wärmebehandlung und der Bildung der Bindung.
  • Fertigung
  • Der Chip wurde manuell auf die Substrate ausgerichtet und bildete eine symmetrische Si / Sn / Sn / Sn / Sn / Si Struktur. Der Stapel wurde dann auf die oben genannte Heizplatte (vgl. Beispiel 2 und 3) und den Probenhalter gelegt. Der Klebeprozess wurde im Vakuum durchgeführt. Sowohl die Prozesstemperatur als auch die Verweilzeit wurden für die gefertigten Proben variiert. Die Temperatur wurde auf ca. 250 °C angehoben. Die Gesamtzeit (Verweildauer) über der eutektischen Temperatur betrug 1 Minute, gefolgt von einem 4-5-stündigen Glühen bei ca. 200 °C. Eine Feder im Probenhalter erzeugte einen Anpressdruck von ca. 2 MPa und sicherte einen thermomechanischen Kontakt zwischen Chip und Substrat.
  • Ablösetemperatur
  • Die Probe wurde einem ähnlichen Integritätstest unterzogen, wie er vorstehend für Experiment 2 beschrieben wurde. Die Bindung zeigte bei 400 °C eine signifikante strukturelle Integrität, weit über der Solidustemperatur (eutektisch) von 232 °C des Si-Sn-Systems.
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      • http://wiki.aapg.org/Porosity
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (14)

  1. Verfahren zum Bilden einer Verbindung zwischen einer Verbindungs- bzw. Bondfläche eines ersten festen Objekts und einer Verbindungs- bzw. Bondfläche eines zweiten festen Objekts, wobei das Verfahren umfasst: A) Bereitstellen eines binären Systems der Komponenten A und B, wobei das binäre System entweder: i) ein mischbares binäres System mit einer Gesamtzusammensetzung C0 innerhalb des Bereichs: C0 = CLiq - fα(CLiq - Cα) wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer einphasigen festen Lösung koexistiert, wenn das binäre System eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Tliq, B)/2 aufweist, Cα ist die Zusammensetzung der einphasigen festen Lösung, die gleichzeitig besteht mit die flüssige Phase, wenn sich das Binärsystem auf einer Temperatur T1 befindet, Tliq,A ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente A, Tliq,B ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente B und fα ist der Anteil der einphasigen festen Lösung, der in der mischbaren Form vorliegt. Binärsystem bei der Temperatur T1, und wobei fα der Bereich von[0.26, 1) ist, ii) oder ein teilweise mischbares binäres System entweder einer hypoeutektischen oder übereutektischen Zusammensetzung mit nur drei Phasenfeldern in ihrem Festkörperbereich, - und wenn die Zusammensetzung des teilweise mischbaren binären Systems hypoeutektisch ist, es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = CLiq - fα(CLiq - Cα) wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer α-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist, Cα ist die Zusammensetzung der α-Phase, die mit der flüssigen Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist, Tliq,A ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente A, Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und fα liegt im Bereich von[0.26, 1), - oder wenn die Zusammensetzung des teilweise mischbaren Binärsystems übereutektisch ist, es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = fβ(Cβ - CLiq) + CLiq wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer β-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist, Cβ ist die Zusammensetzung der β-Phase, die mit der Flüssigphase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist, Tliq,B ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente B, Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und fβ im Bereich von[0.26, 1) liegt,B) eine Sandwichstruktur bildet, die das erste feste Objekt, das binäre System und das zweite feste Objekt umfasst, indem sie der Verbindungsfläche des zweiten festen Objekts in Richtung der Verbindungsfläche des ersten festen Objekts zugewandt ist, wobei das binäre System zwischen den Verbindungsflächen des ersten und zweiten Objekts angeordnet und so angeordnet ist, dass es die Verbindungsflächen des ersten und zweiten Objekts berührt, und C) Bilden der Verbindungsverbindung der ersten und zweiten Objekte durch Wärmebehandlung der Sandwichstruktur bei einer Temperatur, die nach oben auf die Temperatur T1 begrenzt ist, was dazu führt, dass das mischbare oder teilweise mischbare Binärsystem der Komponenten A und B ein poröses System bildet, die Miete und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponente, die zwischen den Verbindungsflächen der ersten und zweiten Objekte angeordnet ist, und eine zweite Phase der A- und B-Komponente, die in der porösen, cohe Miete und kontinuierlichen Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponente dispergiert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin fα in einem der folgenden Bereiche liegt: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99];[0.30, 0.98]; [0.36, 0.97];[0.42, 0.96];[0.48, 0.95];[0.52, 0.94];[0.58, 0.93];[0.64, 0.92];[ 0.72, 0.91];[0.95, 0.99]; oder[0.80, 0.90].
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin fβ in einem der folgenden Bereiche liegt: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99];[0.30, 0.98];[0.36, 0.97]; [0.42, 0.96];[0.48, 0.95];[0.52, 0.94];[0.58, 0.93];[0.64, 0.92];[0.72, 0.91];[ 0.95, 0.99]; oder[0.80, 0.90].
  4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin das binäre System eine chemische oder physikalische Mischung aus Komponente A und Komponente B ist, ausgewählt aus einem der folgenden: Ge-Si, Mo-W, Nb-W, V-W, Ag-Bi, Ag-Cu, Ag-Ge, Ag-Mo, Ag-Pb, Ag-Si, Ag-Ti, Al-Be, Al-Bi, Al-Ga, Al-Ge, Al-N, Al-Sn, Au-Bi, Au-Ge, Au-Mo, Au-Sb, Au-Si, Au-W, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Ni, Bi-Sn, Cr-Sn, Cu-Si, Fe-In, Ga-Ge, Ga-Si, Ga-Zn, Ge-In, Ge-Pb, Ge-Sb, Ge-Sn, Ge-Zn, In-Si, In-Zn, Pb-W, Pd-W, Sb-Si, Si-Sn, Si-Zn, Sn-Zn oder SiO2-Al2O3.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das binäre System eine chemische oder physikalische Mischung aus Komponente A und Komponente B ist, ausgewählt aus einem der folgenden: Al-Ge, Al-Sn, Au-Ge, Au-Si, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Sn, Ga-Ge, Ge-In, In-Si oder Si-Sn.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmebehandlung der sandwichartigen Struktur bei einer Temperatur in einem der folgenden Intervalle durchgeführt wird:[0,5·TS, T1],[0,7·TS, T1],[0,75·TS, T1],[0,8·TS, T1],[0,85·TS, T1], [0,9·TS, T1] oder[0,95·TS, T1], wobei TS die Solidustemperatur für das binäre System bei Zusammensetzung C0 ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, worin die Wärmebehandlung eine anfängliche Erwärmung des binären Systems auf eine Temperatur im Bereich von Tsol bis T1 umfasst, worin Tsol die Solidustemperatur des binären Systems bei der Gesamtzusammensetzung C0 ist, und diese Temperatur für einen Zeitraum von einigen Minuten aufrechterhalten wird, gefolgt von einer Abkühlung des binären Systems auf eine Temperatur im Bereich von 0,8·Tsol bis Tsol und Halten dieser Temperatur für einige Stunden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Temperatur im Bereich von 0,8·Tsol bis Tsol für 2 bis 10 Stunden, vorzugsweise 3 bis 6 Stunden, vorzugsweise 3 bis 4 Stunden, gehalten wird.
  9. Verbindung zwischen einer Verbindungsfläche eines ersten festen Objekts und einer Verbindungs- bzw. Bondfläche eines zweiten festen Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass - die Verbindung eine Verbindungsschicht aus einem binären System der Komponenten A und B umfasst, wobei das binäre System entweder vorhanden ist: i) ein vollständig mischbares binäres System, das eine Gesamtzusammensetzung C0 innerhalb des Bereichs aufweist: C0 = CLiq - fα(CLiq - Cα) wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer einphasigen festen Lösung koexistiert, wenn das binäre System eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Tliq, B)/2 aufweist, Cα ist die Zusammensetzung der einphasigen festen Lösung, die mit der flüssigen Phase koexistiert, wenn das binäre System eine Temperatur T1 aufweist, Tliq,A ist die Liquidustemperatur der 100 % reinen Komponente A, Tliq,B ist die Liquidustemperatur der 100 %reinen Komponente B,
    und fα liegt im Bereich von[0.26, 1), ii) oder ein teilweise mischbares binäres System entweder einer hypoeutektischen oder übereutektischen Zusammensetzung mit nur drei Phasenfeldern in seinem Festkörperbereich, - und wenn die Zusammensetzung des teilweise mischbaren binären Systems hypoeutektisch ist, es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = CLiq - fα(CLiq - Cα) wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer α-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist, Cα ist die Zusammensetzung der α-Phase, die mit der flüssigen Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,A + Teut)/2 aufweist, Tliq,A ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente A, Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und fα liegt im Bereich von[0.26, 1), - oder wenn die Zusammensetzung des teilmischbaren Binärsystems übereutektisch ist, es hat eine Gesamtzusammensetzung C0 im Bereich: C0 = fβ(Cβ - CLiq) + CLiq wo; Cliq ist die Zusammensetzung einer Flüssigphase, die mit einer β-Phase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist, Cβ ist die Zusammensetzung der β-Phase, die mit der Flüssigphase koexistiert, wenn das Binärsystem eine Temperatur T1 = (Tliq,B + Teut)/2 aufweist, Tliq,B ist die Schmelztemperatur von 100 % reiner Komponente B, Teut ist die eutektische Temperatur des eutektischen Binärsystems und fβ im Bereich von[0.26, 1) liegt ,und wobei - das Binärsystem der mischbaren oder teilmischbaren Komponenten A und B eine poröse, gemeinsame Miete und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponenten, die zwischen die Verbindungsflächen der ersten und zweiten Objekte eingefügt ist, und eine zweite Phase der A- und B-Komponenten, die in der porösen, gemeinsamen Miete und kontinuierlichen Struktur einer einphasigen festen Lösung der A- und B-Komponenten dispergiert ist, umfasst.
  10. Verbindung nach Anspruch 9, worin fα in einem der folgenden Bereiche liegt: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99];[0.30, 0.98];[0.36, 0.97];[ 0.42, 0.96];[0.48, 0.95];[0.52, 0.94];[0.58, 0.93];[0.64, 0.92];[0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; oder[0.80, 0.90].
  11. Verbindung nach Anspruch 9, worin fβ in einem der folgenden Bereiche liegt: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99];[0.30, 0.98];[0.36, 0.97];[ 0.42, 0.96];[0.48, 0.95];[0.52, 0.94];[0.58, 0.93];[0.64, 0.92];[0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; oder[0.80, 0.90].
  12. Verbindung nach einem der Ansprüche 9-11, worin das binäre System eine chemische oder physikalische Mischung aus Komponente A und Komponente B ist, ausgewählt aus einem der folgenden: Ge-Si, Mo-W, Nb-W, V-W, Ag-Bi, Ag-Cu, Ag-Ge, Ag-Mo, Ag-Pb, Ag-Si, Ag-Ti, Al-Be, Al-Bi, Al-Ga, Al-Ge, Al-N, Al-Sn, Au-Bi, Au-Ge, Au-Mo, Au-Sb, Au-Si, Au-W, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Ni, Bi-Sn, Cr-Sn, Cu-Si, Fe-In, Ga-Ge, Ga-Si, Ga-Zn, Ge-In, Ge-Pb, Ge-Sb, Ge-Sn, Ge-Zn, In-Si, In-Zn, Pb-W, Pd-W, Sb-Si, Si-Sn, Si-Zn, Sn-Zn oder SiO2-Al2O3.
  13. Verbindung nach Anspruch 12, worin das binäre System eine chemische oder physikalische Mischung aus Komponente A und Komponente B ist, ausgewählt aus einer der folgenden Komponenten: Al-Ge, Al-Sn, Au-Ge, Au-Si, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Sn, Ga-Ge, Ge-In, In-Si oder Si-Sn.
  14. Verbindung nach einem der Ansprüche 9-12, wobei die Dicke der Verbindungsschicht vor der Wärmebehandlung, die die poröse, kohärente und kontinuierliche Struktur einer einphasigen festen Lösung bildet, die sich über die Verbindungsschicht erstreckt, in einem der folgenden Bereiche liegt: von 1 bis 1000 µm, von 2 bis 800 µm, von 3 bis 600 µm, von 5 bis 400 µm, von 6 bis 200 µm, von 7 bis 100 µm, von 8 bis 50 µm, von 9 bis 30 µm oder von 10 bis 20 µm.
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