DE19532250A1 - Diffusion soldering of a multi-layered structure - Google Patents

Diffusion soldering of a multi-layered structure

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DE19532250A1
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layer
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diffusion
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Juergen Dr Ing Wilde
Rainer Prof Dr I Schmid-Fetzer
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Daimler Benz AG
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Abstract

The arrangement serves for diffusion soldering of one body to another. One of the bodies is coated with a metal layer (Hi) with a high melting point, while an intermediate metal layer (Lo) with a low melting point is placed between the two bodies. The layers (Hi, Lo) can be joined at certain temperatures by application of pressure, with intermetallic compounds being formed in the process. The bodies are a substrate (1) and a semiconductor disk (2), while the layer (Hi) takes the form of protective layers (Hi1, Hi2) on these bodies. Also claimed is a method for producing this arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen einer temperatur­ stabilen Verbindung mittels Diffusionslöten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Diffusionslöten eines mehrschichti­ gen Aufbaus.The invention relates to an arrangement for producing a temperature stable connection by means of diffusion soldering according to the generic term of Claim 1 and a method for diffusion soldering a multilayer construction.

Das Verfahren dient insbesondere zur Montage von Halbleiter-Chips auf Substraten, zum Verbinden von "Wafern" während der Halbleiterstel­ lung, sowie zur Kontaktierung von elektronischen Bauelementen und Schaltungen.The method is used in particular for mounting semiconductor chips on Substrates, for connecting "wafers" during the semiconductor process tion, as well as for contacting electronic components and Circuits.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der deutschen Anmeldung P 42 41 439 A1 bekannt. Dort wird ein Verfahren zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung zwischen metallischen Verbindern und me­ tallischen Kontakten von Halbleiteroberflächen beschrieben. Die Verbin­ der dienen insbesondere der Parallelschaltung von Solarzellen mit Hilfe von Solarzellenkontakten. Zwischen einem Verbinder und einem Kontakt wird eine Zwischenschicht aus einem gegenüber dem Verbinder und metallischen Kontakt niedrigschmelzenden Metall angeordnet und auf bzw. über die Schmelztemperatur erwärmt. Dabei ist darauf zu achten, daß die flüssige Zwischenschicht die Fügeoberflächen von Verbinder und Kontakt benetzt. Die flüssige Zwischenschicht diffundiert in den Verbinder und den Kontakt und bildet eine intermetallische Phase mit dem Material der Zwischenschicht und den Materialien des zu fügenden Verbinders und Kontaktes. Dabei wird durch die Erstarrung während eines vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruckverlaufes die form­ schlüssige Verbindung zwischen Verbinder und Kontakt hergestellt, de­ ren Schmelztemperatur höher ist, als die der ursprünglichen Zwischen­ schicht. A generic method is from the German application P 42 41 439 A1 known. There is a method for generating a positive connection between metallic connectors and me described metallic contacts of semiconductor surfaces. The verb which are used in particular to connect solar cells in parallel of solar cell contacts. Between a connector and a contact becomes an intermediate layer of one opposite the connector and Metallic contact low-melting metal arranged and on or warmed above the melting temperature. It is important to ensure that the liquid intermediate layer the joining surfaces of connectors and contact wetted. The liquid intermediate layer diffuses into the Connector and the contact and forms an intermetallic phase with the material of the intermediate layer and the materials of the to be joined Connector and contact. This is due to the solidification during a given temperature and contact pressure curve the form coherent connection between connector and contact established, de ren melting temperature is higher than that of the original intermediate layer.  

In dieser Schrift sind als konkrete Kombinationen nur In-Au und Sn-Ag angegeben, die als intermetallische Verbindungen Schmelzpunkte unter­ halb von 500°C aufweisen.In this publication, only In-Au and Sn-Ag are concrete combinations specified that as intermetallic compounds melting points below have half of 500 ° C.

Es ist außerdem bekannt, Halbleiterbauelemente durch Löt- oder Kleb­ verfahren zu montieren oder zu kontaktieren. Während es bei derarti­ gen, durch Löten hergestellten Verbindungen von Nachteil ist, daß diese keiner hohen Temperaturbelastung und nur relativ wenigen Temperaturwechseln ausgesetzt werden können, ist es bei geklebten Verbindungen nachteilig, daß diese nur eine begrenzte Wärmeleit­ fähigkeit sowie eine relativ geringe Feuchtbeständigkeit aufweisen.It is also known to semiconductor devices by soldering or gluing procedure to assemble or contact. While it is at suchi gene, connections made by soldering is disadvantageous that these do not have a high temperature load and only relatively few Can be exposed to temperature changes, it is with glued Connections disadvantageous that they have only a limited heat conduction ability and have a relatively low moisture resistance.

Aus der britischen Patentanmeldung GB 235 642 A ist bekannt, Silizium­ scheiben an eine Unterlage aus Mo oder W oder Fe-Ni durch Diffusions­ löten mit Hi = Ag und Lo = In oder Sn und einen möglichen Zusatz von Ga zu verbinden.Silicon is known from British patent application GB 235 642 A. discs on a base made of Mo or W or Fe-Ni by diffusion solder with Hi = Ag and Lo = In or Sn and a possible addition of To connect Ga.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 43 03 790 A1 wird für das Diffusionslöten als hochschmelzende Komponente (Hi) Ag, Au, Cu, Co, Fe, Mn, Ni, Pd, Pt, Ir, Os, Re, Rh oder Ru und für die niedrigschmelzende Komponente (Lo) Bi, Cd, Ga, In, Pb, Sn oder Zn und speziell Hi = Ag oder Au und Lo = Sn oder In gewählt. Die laterale Strukturierung der Lo-Schicht war vorgesehen und ebenfalls eine dünne Diffusionsbarriere zwischen Hi und Lo um bei der Lagerung eine erhöhte Lebensdauer zu erzielen.From the German patent application DE 43 03 790 A1 for Diffusion soldering as a high-melting component (Hi) Ag, Au, Cu, Co, Fe, Mn, Ni, Pd, Pt, Ir, Os, Re, Rh or Ru and for the low-melting Component (Lo) Bi, Cd, Ga, In, Pb, Sn or Zn and especially Hi = Ag or Au and Lo = Sn or In selected. The lateral structuring of the Lo layer was provided and also a thin diffusion barrier between Hi and Lo to increase the lifespan during storage achieve.

Aus der europ. Patentanmeldung EP 0 365 807 ist das Bonden elektroni­ scher Komponenten an gedruckte Leiterplatten durch Diffusions-Hartlö­ ten im Pb-Sn-System unterhalb des Schmelzpunktes von Sn bei 183,5-210°C bekannt. Außerdem ist aus der Veröffentlichung von G. Izuta et al: "Development of Transient Liquid Phase Soldering Process for LSI Die-Bonding" Proc. 43rd Electronic Components and Technology Conf., IEEE, June 1993, Orlando, 1012-1016 (1993) bekannt, Leistungsbau­ elemente mit Leiterplatten zu verbinden. Das Verbinden bei der nied­ rigen Temperatur von 187°C reduziert die mechanischen Bean­ spruchungen um mehr als die Hälfte verglichen mit konventionellen Verbindungsverfahren. Die Wiederaufschmelztemperatur der Verbindung wächst bis über 247°C nach Wärmebehandeln der Verbindung für 12 Stunden bei 187°C, was einen zusätzlichen Vorteil der isothermen Erstarrung darstellt.From the European Patent application EP 0 365 807 is the electronic bonding components on printed circuit boards by diffusion hard soldering ten in the Pb-Sn system below the melting point of Sn at 183.5-210 ° C known. In addition, from the publication by G. Izuta et al: "Development of Transient Liquid Phase Soldering Process for LSI Die-Bonding "Proc. 43rd Electronic Components and Technology Conf., IEEE, June 1993, Orlando, 1012-1016 (1993) known, power engineering connect elements with circuit boards. The connection at the nied temperature of 187 ° C reduces the mechanical bean spells by more than half compared to conventional ones Connection method. The reflow temperature of the connection grows to over 247 ° C after heat treating the compound for 12  Hours at 187 ° C, which is an added benefit of isothermal Represents torpor.

Isotherme Erstarrung kann zur Bildung sehr fester Verbindungen bei relativ niedriger Temperatur eingesetzt werden, wobei diese Verbindun­ gen sehr viel höhere Temperaturen aushalten. Das zugrunde liegende Prinzip dieses Verbindungsprozesses besteht darin, daß eine Zwischen­ schicht aus einem niedrigschmelzenden Metall Lo als Folie oder dünne Beschichtung zwischen den hochschmelzenden Komponenten Hi angeord­ net ist. Diese Anordnung wird unter geringem Druck bis zur Verbin­ dungstemperatur TB erwärmt, wobei sich eine flüssige Zwischenschicht bildet. Dabei kann entweder der Schmelzpunkt der Schicht Lo über­ schritten sein oder es findet eine eutektische Reaktion zwischen den Komponenten Lo und Hi statt. Die geschmolzene Zwischenschicht führt zu einer schnellen Interdiffusion oder Reaktionsdiffusion zwischen Lo und Hi. Die folgende Annäherung an den Gleichgewichtszustand resul­ tiert in einer isothermen Erstarrung.Isothermal solidification can be used to form very solid compounds at a relatively low temperature, these compounds being able to withstand much higher temperatures. The underlying principle of this connection process is that an intermediate layer of a low-melting metal Lo as a film or thin coating between the high-melting components Hi is angeord net. This arrangement is heated under low pressure to the connec tion temperature T B , a liquid intermediate layer being formed. Either the melting point of the layer Lo can be exceeded or there is a eutectic reaction between the components Lo and Hi. The melted intermediate layer leads to rapid interdiffusion or reaction diffusion between Lo and Hi. The following approximation to the equilibrium state results in an isothermal solidification.

Die festen Phasen, die sich bei TB im Verbindungsgebiet bilden, zeigen bei entsprechender Auswahl der Materialien für Lo und Hi eine Aufschmelztemperatur oberhalb von TB, wobei durch die in der Erfin­ dung aufgeführten Materialkombinationen bestimmte zusätzliche Vorteile erzielbar sind.The solid phases that form at T B in the connection area, with appropriate selection of materials for Lo and Hi, show a melting temperature above T B , whereby certain additional advantages can be achieved by the material combinations listed in the invention.

Die isotherme Erstarrung beinhaltet Verbindungsprozesse, welche einige Verteile der konventionellen Löt- oder Hartlötverfahren mit dem Verfah­ ren des Diffusionsverbindens (diffusionsbonding) gemeinsam haben. Das Diffusionsbindungsverfahren ist in der Veröffentlichung von D.M. Jacob­ son und G. Humpston in: "Diffusion Soldering", Soldering Surface Mount Technol. 10 (2), 27-32 (1992) beschrieben.Isothermal solidification involves connection processes, some of which Distribute the conventional soldering or brazing processes using the process of diffusion bonding (diffusion bonding) have in common. The Diffusion bonding is described in the D.M. Jacob son and G. Humpston in: "Diffusion Soldering", Soldering Surface Mount Technol. 10 (2), 27-32 (1992).

Die isotherme Erstarrung ist ein Verfahren mit folgenden Vorteilen: Es ermöglicht eine hohe thermische Stabilität der Verbindung mit einer sehr viel höheren Aufschmelztemperatur TR der Verbindung als der ur­ sprünglichen Verbindungstemperatur TB, es toleriert einige Oberflächenrauhigkeiten infolge des vorübergehenden Auftretens einer flüssigen Phase, es erfordert nur einen relativ kleinen Druck zur Ver­ bindung der Flächen (0,2 bis 5 MPa), und die Verbindungszeiten sind relativ kurz und in der Größenordnung von Minuten, wobei die sehr dünne Verbindungsschicht von typisch unter 10 µm sehr gute mechani­ sche Eigenschaften aufweist. Allerdings müssen die Oberflächen vorher einigermaßen eben sein. Die Verbindung läßt sich allerdings nach dem Erstarren im allgemeinen nicht wieder aufschmelzen, um beispielsweise Reparaturen vorzunehmen. Man wird also dieses Verbindungsverfahren überall dort einsetzen, wo hohe Umgebungstemperaturen den Einsatz der herkömmlichen Verbindungstechniken verhindern.Isothermal solidification is a process with the following advantages: It enables a high thermal stability of the connection with a much higher melting temperature T R of the connection than the original connection temperature T B , it tolerates some surface roughness due to the temporary appearance of a liquid phase, it requires only a relatively small pressure to connect the surfaces (0.2 to 5 MPa), and the connection times are relatively short and of the order of minutes, the very thin connection layer typically below 10 µm having very good mechanical properties. However, the surfaces must be reasonably flat beforehand. However, the connection generally cannot be melted again after solidification, for example in order to carry out repairs. This connection method will therefore be used wherever high ambient temperatures prevent the use of conventional connection technologies.

Das vorübergehende Auftreten einer flüssigen Phase bei relativ tiefen Temperaturen ist für eine gute flächige Verbindung wichtig und kann gleichzeitig thermische Spannungen vermeiden helfen, welche sonst bei Anwendung hoher Temperaturen in die Verbindung eingebracht werden könnten. Darüber hinaus hat die hohe thermische Stabilität der Verbin­ dung neue Möglichkeiten für die folgenden Fertigungsschritte zur Folge, welche nicht mehr in der Temperatur schrittweise abnehmen müßten.The temporary appearance of a liquid phase at relatively deep Temperatures are important for a good flat connection and can at the same time avoid thermal stresses that would otherwise occur High temperatures can be introduced into the connection could. In addition, the high thermal stability of the connector new opportunities for the following manufacturing steps Result, which no longer gradually decrease in temperature ought to.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kombination von Materialien zur Erzeugung einer zuverlässigen formschlüssigen Verbindung für metallische Oberflächen von Halbleiterkontakten anzugeben, die eine möglichst kurze Fügezeit benötigen. Vor dem Verbinden sollen die Komponenten eine große Lagerungszeit überstehen.The invention is therefore based on the object of a combination of Materials to produce a reliable positive Connection for metallic surfaces of semiconductor contacts specify that need the shortest possible joining time. Before the When connected, the components should survive a long storage period.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des An­ spruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung sind in denn Unteransprüchen enthalten.According to the invention, the object is characterized by the characteristics of the An claim 1 contained features solved. Developments of the invention and a method of making a solder joint are in there Subclaims included.

Die zugrunde liegenden metallurgischen Tatsachen und die Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.The underlying metallurgical facts and the invention are explained below with reference to the drawing.

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1 ein schematisches binäres Phasendiagramm zur Demonstration des Prinzips des Diffusionslötens mittels Reaktionsdiffusion, Fig. 1 is a schematic binary phase diagram demonstrating the principle of the diffusion brazing by means of diffusion reaction,

Fig. 2 ein schematisches binäres Phasendiagramm zur Demonstration des Prinzips des Diffusionshartlötens durch Interdiffusion, Fig. 2 is a schematic binary phase diagram demonstrating the principle of the diffusion brazing by interdiffusion,

Fig. 3 das Au-In-Phasendiagramm und die minimale Aufschmelz­ temperatur TR, Fig. 3, the Au-In phase diagram and the minimum reflow temperature T R,

Fig. 4 das Ag-In-Phasendiagramm und die minimale Aufschmelz­ temperatur TR, Fig. 4, the Ag-In phase diagram and the minimum reflow temperature T R,

Fig. 5 ein schematisches Bild a vor der Reaktion und b nach dem Diffusionslöten eines Au-In-Ti-Systems, und Fig. 5 is a schematic diagram of a prior to the reaction and b after the diffusion soldering of Au-In-Ti-system, and

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Vielschichtenaufbaus zur Steigerung der Erstarrungsgeschwindigkeit a ohne und b mit Diffusionsbarriere. Fig. 6 is a schematic view of the multilayer structure to increase the rate of solidification a without and b with diffusion barrier.

Die verschiedenen Verbindungsprozesse, welche die isotherme Erstarrung benutzen, können in drei grundlegende Kategorien eingeteilt werden: Diffusionslöten, Diffusionshartlöten und Amalgamlöten.The various connection processes that make up the isothermal Using solidification can be divided into three basic categories are: diffusion soldering, diffusion brazing and amalgam soldering.

Die zugrunde liegende metallurgischen Prinzipien sind am besten mit Hilfe eines schematischen binären Phasendiagramms der elementaren Komponenten Hi und Lo zu verstehen.The underlying metallurgical principles are best with Using a schematic binary phase diagram of the elementary Understand components Hi and Lo.

Die Grundlage des Diffusionslötens ist die Existenz wenigstens einer in­ termetallischen Komponente, welche als kongruente schmelzende Phase HiLo in Fig. 1 dargestellt ist.The basis of diffusion soldering is the existence of at least one in term metallic component, which is shown as a congruent melting phase HiLo in FIG. 1.

Die Zusammensetzung in dem Bereich des Systems, welcher von den Diffusionsprozessen während des Aufheizens betroffen ist, wird durch die relativen Anteile der Komponenten Hi und Lo gegeben. Diese durchschnittliche Zusammensetzung muß innerhalb des Bereichs des festen Zustandes bei TB gewählt werden, welcher das Zweiphasenfeld Hi + HiLo in Fig. 1 darstellt. Geht man vom ursprünglichen Nichtgleich­ gewichtszustand des festen Hi + flüssigem Lo bei TB aus, wird der Gleichgewichtszustand durch Reaktionsdiffusion und Wachstum der intermetallischen Phase HiLo an der Grenzfläche zwischen fester Phase Hi und der flüssigen Legierung L. Die isotherme Erstarrung wird durch Aufzehren der flüssigen Phase beendet. Die Aufschmelztemperatur TR des Gesamtsystems wird durch die eutektische Schmelztemperatur der Phasen Hi + HiLo dargestellt, welche oberhalb von TB liegt.The composition in the area of the system which is affected by the diffusion processes during heating is given by the relative proportions of the components Hi and Lo. This average composition must be chosen within the range of the solid state at T B , which represents the two-phase field Hi + HiLo in Fig. 1. If one starts from the original non-equilibrium state of the solid Hi + liquid Lo at T B , the equilibrium state becomes due to reaction diffusion and growth of the intermetallic phase HiLo at the interface between the solid phase Hi and the liquid alloy L. The isothermal solidification is achieved by consuming the liquid phase completed. The melting temperature T R of the overall system is represented by the eutectic melting temperature of the phases Hi + HiLo, which is above T B.

Die Gleichgewichtskonzentration des Gesamtsystems wird beispielhaft durch den schwarz ausgefüllten Kreis in der Mitte des Diagramms dargestellt. The equilibrium concentration of the overall system becomes an example through the black filled circle in the middle of the diagram shown.  

Das Diffusionshartlöten erfordert es, daß die Zusammensetzung des Ge­ samtsystems innerhalb des Bereichs der festen Lösung der hochschmel­ zenden Komponente Hi liegt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Eine inter­ metallische Phase wird nicht benötigt. Die Verbindung wird wieder bei der Temperatur TB eingeleitet, indem Lo schmilzt und sich etwas von der Hochtemperaturphase Hi in der flüssigen Legierung, des sogenann­ ten Füllers, löst. Die isotherme Erstarrung tritt dann notwendigerweise erst durch Hineindiffusion der Komponente Lo in die feste Lösung Hi ein. In diesem Fall hängt die Wiederaufschmelztemperatur TR sehr stark vom Grad der Homogenisierung der Verbindung innerhalb der erstarrten Zwischenlage ab. Der maximale Wert von TR wird durch die Solidustem­ peratur des Gesamtsystems gegeben, wie in Fig. 2 angedeutet. Diese wird nach längerer Wärmebehandlung und Diffusion im festen Zustand erreicht. Es ist ebenso möglich, die Bindung unterhalb des Schmelzpunktes von Lo aber oberhalb der eutektischen Temperatur von ca. 550°C, wie in Fig. 2, zu erzielen. In diesem Fall beginnt die Flüssigkeit sich an der Berührungsfläche zwischen Hi und Lo infolge der eutektischen Reaktion zu bilden. Nach vollständiger Auflösung von Lo und Verbreiterung der flüssigen Zwischenschicht bis hin zu einem Maximum setzt sich der isotherme Erstarrungsvorgang fort, wie in Fig. 2 dargestellt.Diffusion brazing requires that the composition of the entire system be within the range of the solid solution of the high-melting component Hi, as shown in FIG. 2. An intermetallic phase is not required. The connection is reintroduced at the temperature T B in that Lo melts and some of the high-temperature phase Hi dissolves in the liquid alloy, the so-called filler. The isothermal solidification then necessarily only occurs when the component Lo is diffused into the solid solution Hi. In this case, the remelting temperature T R depends very much on the degree of homogenization of the compound within the solidified intermediate layer. The maximum value of T R is given by the solidus temperature of the overall system, as indicated in FIG. 2. This is achieved after prolonged heat treatment and diffusion in the solid state. It is also possible to achieve the binding below the melting point of Lo but above the eutectic temperature of approx. 550 ° C., as in FIG. 2. In this case, the liquid begins to form on the interface between Hi and Lo due to the eutectic reaction. After complete dissolution of Lo and widening of the liquid intermediate layer up to a maximum, the isothermal solidification process continues, as shown in FIG. 2.

Die Eigenschaften des Diffusionslötens erscheinen besonders für Anwen­ dungen im Bereich elektronischer Komponenten attraktiv, da die Kombi­ nation von typischen Niedrigtemperaturen für das Löten mit den Mög­ lichkeiten einer Dünnschichtpräparation des Verbindungssystems kombi­ nierbar sind. Die folgende Tabelle gibt eine zusammengefaßte Auflistung von veröffentlichten experimentellen Arbeiten. Ein Überblick über die bisher bekannten Materialsysteme für das Diffusionshartlöten zeigt, daß diese Studien nicht für elektronische Anwendungen gedacht sind.The properties of diffusion soldering appear particularly for users attractive in the area of electronic components because the combi nation of typical low temperatures for soldering with the Mög possibilities of a thin-layer preparation of the connection system comb nable. The following table gives a summarized list of published experimental work. An overview of the previously known material systems for diffusion brazing shows that these studies are not intended for electronic applications.

Anhand der Tabelle 1 werden nun einige spezielle Punkte bezüglich der Reaktionsraten, der mechanischen Eigenschaften und des Drucks, bei dem die Verbindung stattfindet, sowie die Einzelheiten zur Herstellung dünner Schichten diskutiert.Using Table 1, some special points regarding the Reaction rates, mechanical properties and pressure which the connection takes place, as well as the details of the production discussed thin layers.

Die Reaktionsraten mit der flüssigen Phase nehmen in der Folge Au-In, Ag-In und Cu-In ab. Die Ni-Sn-Reaktion ist 1,5 bis 2mal langsamer als die Cu-Sn-Reaktion, wie sich anhand der Messung des Verbrauchs der Schmelze und der Wachstumsrate der intermetallischen Verbindungen herausgestellt hat. Die Cu-Sn-Verbindungen sind nach 30 Sekunden noch teilweise flüssig und nach 4 Minuten bei 280°C vollkommen durch Reaktion verfestigt.The reaction rates with the liquid phase subsequently increase Au-In, Ag-In and Cu-In from. The Ni-Sn reaction is 1.5 to 2 times slower than  the Cu-Sn reaction, as can be seen from the measurement of the consumption of the Melt and the growth rate of the intermetallic compounds has highlighted. The Cu-Sn connections are after 30 seconds still partially liquid and completely after 4 minutes at 280 ° C Reaction solidified.

Die niedrigschmelzende Komponente sind Sn-Schichten von 0,5 bis 2 µm Dicke, welche mit Elektronenstrahlverdampfung auf beiden Seiten des Kupfersubstrates aufgebracht wurden. Die Zerreißfestigkeit ("Zugfestigkeit") wächst bei solchen Proben von 16 auf 36 MPa. Die Zerreißfestigkeit der Ni-Sn-Verbindung erreicht einen konstanten Wert von 38 MPa nach einer Minute oder einer etwas längeren Abbindezeit.The low-melting components are Sn layers from 0.5 to 2 µm Thickness, which with electron beam evaporation on both sides of the Copper substrates were applied. The tensile strength ("Tensile strength") grows from 16 to 36 MPa in such samples. The The tensile strength of the Ni-Sn connection reaches a constant value of 38 MPa after one minute or a slightly longer setting time.

Die Scherfestigkeit der Ag-In-Verbindung ist nach der Bildung der Ag₂In-Phase 62 MPa, welche wesentlich höher ist als die Stärke einer konventionellen Ag-In-Lötverbindung von ca. 8 MPa. Die gemessenen Scherspannungen von diffusionsgelöteten Verbindungen im Ag-Sn- System, welche die duktile Ag₃Sn-Phase enthalten, ist nahe bei 23 MPa, welches dem Wert für normalgelötete Ag-Sn-Verbindungen entspricht. Bei längerem Aufheizen jedoch nähert sich die Mikrostruktur der diffusionsgelöteten Verbindung der einer festen Lösung von Silber und man erwartet das Ansteigen der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert von 75 MPa. Als Fazit kann festgehalten werden, daß die mechanischen Eigenschaften von diffusionsgelöteten Verbindungen, die der konventionell gelöteten weit übertreffen und auch die Anforderungen in der Elektronikindustrie übererfüllen, wobei noch eine Reserve in Richtung Hochtemperaturstabilität vorhanden ist. The shear strength of the Ag-In compound is after the formation of the Ag₂In phase 62 MPa, which is much higher than the strength of one conventional Ag-In solder connection of approx. 8 MPa. The measured Shear stresses of diffusion soldered compounds in Ag-Sn Systems containing the ductile Ag₃Sn phase is close to 23 MPa, which corresponds to the value for normally soldered Ag-Sn connections. With longer heating, however, the microstructure approaches diffusion soldered connection of a solid solution of silver and the shear strength is expected to increase up to one Maximum value of 75 MPa. In conclusion it can be stated that the mechanical properties of diffusion soldered connections, the far surpass the conventionally soldered and also the Exceed requirements in the electronics industry, yet another Reserve towards high temperature stability is available.  

Tabelle 1: Materialkombinationen für das Diffusionslöten Table 1: Material combinations for diffusion soldering

Die festgestellten Anpreßdrücke zwischen den Fügepartnern sind nor­ malerweise niedrig und liegen in der Gegend von 0,2 bis 3 MPa. Die be­ rechnete Volumenschrumpfung während der Bildung der intermetalli­ schen Phasen beträgt 12% für Ni-Sn und nur 0,7% für Cu-Sn, wobei Poren gelegentlich bei der Ni-Sn-Verbindung beobachtet wurden. Die Poren konnten durch Anwendung größerer Drücke nicht vermieden werden, da oberhalb von 0,3 MPa das flüssige Zinn aus der Verbin­ dungsregion weggedrückt wird. Die Verbindungen werden vorzugsweise in reduzierender Gasatmosphäre durchgeführt. Man verwendet auch Vakuum, Inertgase oder Luft. Die Oxidation der aufgebrachten Schichten der Verbindungskomponenten kann während der Lagerung Probleme hervorrufen. Eine zusätzliche Oxidation während der Verbindung kann beim Bonden durch eine Luftschicht zwischen ungenügend planen Ver­ bindungsflächen hervorgerufen werden. Eine Oxidhaut auf der niedrig­ schmelzenden Komponente oder eine Oxidschicht an der freien Ober­ fläche der hochschmelzenden Komponente kann schließlich die Benetzung verhindern, womit die Verbindung nicht zustande kommt.The determined contact pressures between the joining partners are nor sometimes low and in the range of 0.2 to 3 MPa. The be expected volume shrinkage during the formation of the intermetalli phases is 12% for Ni-Sn and only 0.7% for Cu-Sn, whereby Pores have occasionally been observed with the Ni-Sn compound. The Pores could not be avoided by using higher pressures as the liquid tin from the connec region is pushed away. The compounds are preferred carried out in a reducing gas atmosphere. One also uses Vacuum, inert gases or air. The oxidation of the applied layers the connection components can cause problems during storage cause. Additional oxidation during connection can occur when bonding through an air layer between insufficiently planned ver binding surfaces are created. An oxide skin on the low melting component or an oxide layer on the free top Finally, the surface of the high-melting component can be wetted prevent what the connection does not come about.

Es hat sich herausgestellt, daß die Präparation dünner Schichten der Lo-Komponente ein entscheidender Schritt ist. Gesputtertes Zinn bildet Inseln auf der Kupferschicht, welche nicht besonders gut für das Diffusionslöten geeignet sind.It has been found that the preparation of thin layers of the Lo component is a crucial step. Sputtered tin forms Islands on the copper layer, which are not particularly good for that Diffusion soldering is suitable.

Galvanisch aufgebrachte (elektroplattierte) Sn-Schichten von 3 µm Dicke können benutzt werden, obwohl sie teilweise porös aufwachsen. Am besten scheinen noch elektronenstrahlverdampfte Sn-Schichten von 0,5 bis 2 µm Schichtdicke zu sein. Eine kompliziertere Struktur beinhaltet eine Goldschutzschicht auf der In-Schicht. Diese Oxidationsschutzschicht ermöglicht die Handhabung und Lagerung in Luft.Electroplated (electroplated) Sn layers 3 µm thick can be used, although they grow porous in places. At the the best seem to be electron beam vaporized Sn layers of 0.5 to be up to 2 µm layer thickness. It involves a more complicated structure a gold protective layer on the in-layer. This oxidation protection layer enables handling and storage in air.

Um die Tabelle 1 auf eine kurze Form zu bringen, kann man sagen, daß die Materialkombinationen Ag, Au, Cu oder Ni als Hi-Komponente mit In oder Sn als Lo-Komponente bereits sehr ausgiebig untersucht worden und damit Stand der Technik sind, wobei Fe und Hg nur Sonderfälle darstellen. Mechanische Festigkeit und thermische Stabilität der Verbin­ dungen können extrem hoch sein. Die Systeme, die in der Literatur favorisiert werden, sind Ag-Sn, Au-In, Cu-Sn und Ni-Sn. To make Table 1 short, it can be said that the material combinations Ag, Au, Cu or Ni as Hi component with In or Sn as a Lo component has already been studied extensively and are therefore state of the art, whereby Fe and Hg are only special cases represent. Mechanical strength and thermal stability of the connector dung can be extremely high. The systems in the literature favored are Ag-Sn, Au-In, Cu-Sn and Ni-Sn.  

Im folgenden wird ein zusammenfassender Überblick über die Auswahl­ kriterien für die bekannten Materialkombinationen (Ag, Au)-In gegeben, mit Gold und Silber als hochschmelzend und Indium als niedrigschmel­ zendem Metall. Diese Materialien dienen hier zur Veranschaulichung der Grundgedanken. Es ist eine Schlüsseleigenschaft des Diffusionslötens und allgemein der isothermen Erstarrung, daß die Lo-Komponente beinahe unabhängig von der Hi-Komponente gewählt werden kann. Das liegt daran, daß die Bindetemperatur gewöhnlich durch den Schmelzpunkt der Lo-Komponente begrenzt wird und nicht wie beim ge­ wöhnlichen Löten durch eine eutektische Reaktion mit einer anderen Komponente. Deshalb ist es sehr leicht, alle niedrigschmelzenden Metalle anzugeben, die für eine gewünschte Fügetemperatur in Frage kommen.The following is a summary overview of the selection criteria for the known material combinations (Ag, Au) -In given, with gold and silver as high-melting and indium as low-melting metal. These materials are used here to illustrate the Basic ideas. It is a key property of diffusion soldering and generally isothermal solidification that the Lo component can be selected almost independently of the Hi component. The is because the binding temperature is usually determined by the Melting point of the Lo component is limited and not as with ge ordinary soldering by one eutectic reaction with another Component. Therefore it is very easy to use all low melting metals to indicate which are possible for a desired joining temperature.

Indium, Zinn und Wismuth sind passende Kandidaten für das Diffusions­ löten, wobei Gallium der prominenteste Kandidat für das Almalgamlöten ist, während es in der Form dünner Filme nur schwer zu handhaben ist. Quecksilber, Thallium, Kadmium oder Blei scheiden wegen ihrer Gif­ tigkeit aus. Das entscheidende Kriterium für eine erste Auswahl von Materialkombinationen Hi-Lo ist die minimale Aufschmelztemperatur TR der Verbindung. Sie ist hier aus dem Hi-Lo-Phasendiagramm als die minimale solidus-eutektische oder peritektische Temperatur definiert, die in dem Verbindungsbereich zwischen reinem Hi und der ersten inter­ metallischen Phase auftritt, welche beim Diffusionslöten gebildet wird. Das wird anhand praktischer Beispiele, wie Au-In und Ag-In anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. Die erste intermetallische Phase im Au- In-System ist die AuIn₂-Verbindung, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Direkt nach dem Verbinden und der vollständigen Aufzehrung der indi­ umreichen Flüssigphase, werden praktisch nur die Phasen AuIn₂ und restliches Gold im metallographischen Schliffbild der Verbindung nach­ gewiesen. Dennoch ist die minimale Aufschmelztemperatur dieser Struk­ tur nicht der Schmelzpunkt von AuIn₂ bei 540,7°C. Das liegt daran, daß nach langsamem Heizen alle anderen intermetallischen Phasen eine Nichtgleichgewichtszone zwischen Au und AuIn₂ bilden. Diese Phasen können in ultradünnen Schichten vorhanden sein, welche dem Nachweis entgehen. Diese Phasen bilden evtl. die niedrigste eutektische Zusam­ mensetzung und werden zuerst flüssig und verursachen daher das Aufschmelzen der Verbindung. Diese sind Gamma und Psi bei TR = 454°C, wie in Fig. 3 dargestellt. Diese Betrachtung wird experimentell durch die gemessene Temperatur der Auflösung der mechanischen Verbindung bei 459 ± 5°C bestätigt.Indium, tin and bismuth are suitable candidates for diffusion soldering, with gallium being the most prominent candidate for almalgam soldering, while it is difficult to handle in the form of thin films. Mercury, thallium, cadmium or lead are excluded due to their toxicity. The decisive criterion for a first selection of material combinations Hi-Lo is the minimum melting temperature T R of the connection. It is defined here from the Hi-Lo phase diagram as the minimum solidus-eutectic or peritectic temperature that occurs in the connection area between pure Hi and the first intermetallic phase, which is formed during diffusion soldering. This is explained using practical examples, such as Au-In and Ag-In using FIGS. 3 and 4. The first intermetallic phase in the Au-In system is the AuIn₂ connection, as can be seen from FIG. 3. Immediately after the connection and the complete consumption of the indi-rich liquid phase, practically only the phases AuIn₂ and remaining gold are detected in the metallographic micrograph of the connection. Nevertheless, the minimum melting temperature of this structure is not the melting point of AuIn₂ at 540.7 ° C. This is because after slow heating all other intermetallic phases form a non-equilibrium zone between Au and AuIn₂. These phases can be present in ultra-thin layers that are not detected. These phases may form the lowest eutectic composition and become fluid at first and therefore cause the compound to melt. These are gamma and psi at T R = 454 ° C, as shown in Fig. 3. This observation is confirmed experimentally by the measured temperature of the resolution of the mechanical connection at 459 ± 5 ° C.

Das zweite wichtige Beispiel ist das Ag-In-System nach Fig. 4. Die erste intermetallische Phase, welche nach Diffusionslöten etwas oberhalb des Indiumschmelzpunktes gebildet wird, ist AgIn₂. Diese Phase zerfällt in einer peritektischen Reaktion bei nur 166°C in L + Gamma, welche den theoretischen Wert von TR darstellt. Jedoch bildet sich durch Diffusionslöten oberhalb von 166°C, etwa bei 175°C, die Gammaphase (Ag₂In) direkt aus der Schmelze als homogene Schicht, welche sogar nach ausgedehnten Lagerungszeiten bei 200°C stabil ist. Diese Phase transformiert sich bei 281°C in die Zetaphase (Ag₃In).The second important example is the Ag-In system according to Fig. 4. The first intermetallic phase, which is formed after diffusion soldering somewhat above the indium melting point, is AgIn₂. This phase breaks down in a peritectic reaction at only 166 ° C into L + gamma, which represents the theoretical value of T R. However, diffusion soldering above 166 ° C, around 175 ° C, forms the gamma phase (Ag₂In) directly from the melt as a homogeneous layer, which is stable even after extended storage times at 200 ° C. This phase transforms at 281 ° C into the zeta phase (Ag₃In).

Obwohl das Aufschmelzen dieser Phase nach Fig. 4 bei 660°C erwartet wird, bleibt die Verbindung bis über 900°C stabil. Das liegt wahr­ scheinlich an der beschleunigten Festkörperdiffusion von Indium wäh­ rend des Aufheizens der Probe und während der Transformation der intermetallischen Phasen in die feste Lösung (von Ag). Das Ag-In- System ist ein weiteres Beispiel für die fließenden Grenzen zwischen Diffusionslöten (Bildung intermetallischer Verbindungen) und Diffusionshartlöten (wobei eine feste Lösung gebildet wird), wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Der grundlegende Unterschied zwischen eutektischen Reaktionen wie in Au-In und Systemen, welche durch peritektische Reaktionen wie Ag-In charakterisiert sind, ist der, daß die letztere eine einfache Erhöhung der Aufschmelztemperatur ermöglicht, indem bei höherer Temperatur gebondet wird. Dieser fundamentale Unterschied ist wichtig für die Interpretation der Berechnung der minimalen Aufschmelztemperatur, welche in Tabelle 2 wiedergegeben ist. Diese Aufstellung ist insofern umfassend, als sie außer den für das Löten bisher verwendeten hochschmelzenden Metalle (Cu, Ag, Au, Ni) auch die erfindungsgemäßen Übergangsmetalle der Gruppe IV b (Ti, Zr, Hf) bis zur Gruppe VIII b und zusätzlich die rele­ vanten Elemente Al, Si und Ge erfaßt. Diese sind mit passenden Lo-Kom­ ponenten kombinierbar. Although the melting of this stage of FIG. 4 is expected at 660 ° C, the connection remains stable up to 900 ° C. This is probably due to the accelerated solid-state diffusion of indium during the heating of the sample and during the transformation of the intermetallic phases into the solid solution (from Ag). The Ag-In system is another example of the fluid boundaries between diffusion soldering (formation of intermetallic compounds) and diffusion brazing (forming a solid solution), as shown in FIGS. 1 and 2. The basic difference between eutectic reactions such as in Au-In and systems characterized by peritectic reactions such as Ag-In is that the latter enables the melting temperature to be easily increased by bonding at a higher temperature. This fundamental difference is important for the interpretation of the calculation of the minimum melting temperature, which is shown in Table 2. This list is comprehensive in that, in addition to the high-melting metals (Cu, Ag, Au, Ni) previously used for soldering, the transition metals according to the invention from group IV b (Ti, Zr, Hf) to group VIII b and additionally the rele vanten elements Al, Si and Ge detected. These can be combined with suitable Lo components.

Tabelle 2 Table 2

Minimale Aufschmelztemperatur TR in °C von Hi-Lo-Materialkombinationen (Lo = Ga, In, Sn und Bi). Bevorzugte Werte sind hervorgehoben Minimum melting temperature T R in ° C of Hi-Lo material combinations (Lo = Ga, In, Sn and Bi). Preferred values are highlighted

Für eine große Zahl von Kombinationen, welche mit dem Begriff eutektisch gekennzeichnet sind, gibt es keine intermetallischen Phasen. Sie sind also unbrauchbar für Diffusions- oder Amalgamlöten. Sie sind ebenfalls unbrauchbar für das Diffusionslöten in Bezug auf die sehr geringe Breite des Bereichs der festen Lösung des meist degenerierten eutektischen Systems. Die Hi-Elemente, welche definitiv keine Verbindungen mittels der isothermen Erstarrung für irgendeine Kombi­ nation zulassen, sind Aluminium, Silizium und Germanium.For a large number of combinations with the term are marked eutectically, there are no intermetallic phases. They are therefore unusable for diffusion or amalgam soldering. they are also useless for diffusion soldering in relation to the very narrow width of the solid solution area of the mostly degenerate eutectic system. The hi-elements, which are definitely not Isothermal solidification connections for any combination nation are aluminum, silicon and germanium.

Sehr vielversprechende und nach der Erfindung bevorzugte Kombinationen sind in Tabelle 2 hervorgehoben. Nicht nur daß TR wesentlich über die mögliche Bindetemperatur für diese Kombinationen erhöht ist, wird die Löslichkeit und die Mischbarkeit bei höheren Temperaturen noch besonders begünstigt. Es geht daraus hervor, daß Gallium und Zinn die vielseitigsten Lo-Elemente mit der höchsten Zahl der hervorgehobenen Einträge in Tabelle 2 sind. Indium hat seine speziellen Vorteile für ausgewählte Hi-Elemente wie Au, Mn, Pd und Pt. Wismuth paßt oft nicht, es hat die höchste Zahl von Einträgen mit der Bezeichnung eutektisch.Very promising and preferred combinations according to the invention are highlighted in Table 2. Not only is T R significantly higher than the possible binding temperature for these combinations, the solubility and miscibility at higher temperatures are particularly favored. It appears that gallium and tin are the most versatile Lo elements with the highest number of highlighted entries in Table 2. Indium has its special advantages for selected Hi elements such as Au, Mn, Pd and Pt. Bismuth often does not fit, it has the highest number of entries labeled eutectic.

Darüber hinaus gibt es keine hervorgehobene Kombination, bei der Wismuth nicht vorteilhaft durch Ga, In oder Sn ersetzt werden könnte. Es ist daraus zu schließen, daß weitere Anwendungen sich auf Gallium als Mittel zum Amalgamlöten beziehen werden, sowie auf Indium und Zinn für das Diffusionslöten. Sieht man sich die Hi-Elemente an, so sind alle Metalle der ersten Nebengruppe (Cu, Ag, Au) bindungsfähig, ebenso die Metalle der letzten Reihe der achten Nebengruppe (Ni, Pd, Pt) mit sogar höheren Werten von TR. Außerordentlich hohe Werte von TR können mit den Übergangsmetallen der vierten Nebengruppe (Ti, Zr, Hf) erreicht werden. Spitzenwerte sind 1530°C (Hf-Sn) und 1475°C (Ti-Sn). Sehr vielversprechende Systeme für elektronische Anwendungen beinhalten diese Metalle im Hinblick auf Oxidations- oder Kor­ rosionswiderstand: Ag-Sn, Au-In, Cu-Sn, Ni-Sn, Ni-In, Pd-In, Pt-In, Pt- Sn. In der Literatur werden nur Systeme mit Ag, Au, Cu und Ni behandelt. In addition, there is no highlighted combination in which bismuth cannot be advantageously replaced by Ga, In or Sn. It can be concluded that further applications will relate to gallium as an amalgam soldering agent, as well as indium and tin for diffusion soldering. If you look at the Hi elements, all metals of the first subgroup (Cu, Ag, Au) are bondable, as are the metals of the last row of the eighth subgroup (Ni, Pd, Pt) with even higher values of T R. Extremely high values of T R can be achieved with the transition metals of the fourth subgroup (Ti, Zr, Hf). Peak values are 1530 ° C (Hf-Sn) and 1475 ° C (Ti-Sn). Very promising systems for electronic applications include these metals in terms of oxidation or corrosion resistance: Ag-Sn, Au-In, Cu-Sn, Ni-Sn, Ni-In, Pd-In, Pt-In, Pt-Sn. Only systems with Ag, Au, Cu and Ni are dealt with in the literature.

Im folgenden werden einige allgemeine Grundlagen der Erfindung erläutert. Sehr interessant für neue Anwendungen sind die Systeme mit Titan und Molybdän (möglicherweise ebenfalls Zr und Hf) in Anbetracht ihrer Verwendung in Hochtemperatur-Prozeßschritten bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, nämlich Ti-Sn und Mo-Sn.The following are some general principles of the invention explained. The systems with are very interesting for new applications Considering titanium and molybdenum (possibly also Zr and Hf) their use in high temperature process steps in the Manufacture of semiconductor devices, namely Ti-Sn and Mo-Sn.

Der Zusatz eines dritten Elements zu den Diffusionslötsystemen eröffnet einen neuen Freiheitsgrad, der dazu benutzt werden kann, zusätzliche Vorteile zu erzielen. Ein wichtiger Vorteil besteht in der Herabsetzung der Fügezeit. Weitere Vorteile sind mit der Einfügung von Schutz­ schichten und Haftschichten verbunden. Der Einfluß eines dritten Ele­ ments kann allerdings durch die Wechselwirkung mit einem un­ erwünschten Element, beispielsweise Aluminium von einer Metallisie­ rungsschicht, aufgehoben werden.The addition of a third element to the diffusion soldering systems opened a new degree of freedom that can be used, additional To gain benefits. An important advantage is the reduction the joining time. Other benefits include the inclusion of protection layers and bond layers. The influence of a third Ele However, by interacting with an un desired element, for example aluminum from a metal layer.

Das Phasendiagramm ist ein Schlüsselwerkzeug für das Verständnis die­ ser Aspekte und die Entwicklung jedes isothermen Erstarrungsprozes­ ses. Während das binäre Phasendiagramm für alle relevanten Kombinationen bekannt ist, ist dies für die ternären Diagramme nicht der Fall. Eine gewisse Ausnahme bilden die ternären Systeme einerseits mit Gold und andererseits mit Silber.The phase diagram is a key tool for understanding the aspects and the development of every isothermal solidification process ses. While the binary phase diagram is relevant for all Combinations are known, this is not the case for the ternary diagrams the case. The ternary systems are one exception with gold and on the other hand with silver.

Besonderes Augenmerk wird hier auf ausgewählte Au-In-Metallsysteme gelegt, da experimentelle Daten darauf hinweisen, daß schon das binäre Au-In-System eine vielversprechende Grundlage für die Verbindung empfindlicher elektronischer Komponenten darstellt.Particular attention is paid here to selected Au-In metal systems because experimental data indicate that the binary Au-In system a promising basis for the connection represents sensitive electronic components.

Die interessantesten ternären Legierungselemente für das Au-In-M-Sy­ stem sind die Metalle M = Ag, Cu, Ni, Pd, Pt und Ti. Diese Auswahl ist bereits durch die Kombinationen in der Liste der vielversprechendsten binären Systeme angedeutet. Das dritte Element wirkt als zusätzliche Hi-Komponente. Aufgrund der Phasendiagramme kann man Überlegungen anstellen, in welcher Weise die Erkenntnisse des binären Phasen­ diagrammes modifiziert in ternäre Systeme übertragen werden können, um entsprechende Voraussagen treffen zu können. Da die entsprechen­ den ternären Phasendiagramme jedoch nicht genau genug bekannt sind, muß man sich bei der Auswahl geeigneter Kombinationen oft auf einen glücklichen Griff verlassen. The most interesting ternary alloy elements for the Au-In-M-Sy stem are the metals M = Ag, Cu, Ni, Pd, Pt and Ti. This selection is already through the combinations in the list of the most promising binary systems indicated. The third element acts as an additional one Hi component. Due to the phase diagrams one can consider do in how the knowledge of binary phases modified diagrams can be transferred into ternary systems, to be able to make appropriate predictions. Because they match the ternary phase diagrams are not sufficiently well known, one often has to focus on one when selecting suitable combinations leave happy grip.  

Ein Dreistoffsystem wird in der Ausführung durch eine Dreischichten­ anordnung repräsentiert. Der zusätzliche Aufwand, ein vielschichtiges System für das Diffusionslöten zu schaffen, kann nur durch spezielle Vorteile wie die Verkürzung der Fügezeit gerechtfertigt werden. Zu den drei Basismetallen kommt im allgemeinen noch eine Reihe von Hilfsschichten hinzu, die als Diffusionssperre oder Korrosionsschutz oder aber der besseren Haftung dienen.A three-substance system is implemented by a three-layer system arrangement represents. The additional effort, a multi-layered Diffusion soldering system can only be created by special Advantages such as shortening the joining time are justified. To the three base metals generally comes a number of Auxiliary layers are added that act as a diffusion barrier or corrosion protection or serve better liability.

Korrosionsschutzschichten bestehen aus einem Edelmetall (vorzugsweise Gold) und können oberhalb der Lo-Komponente (und natürlich auch der Hi-Komponente) angebracht werden, um die Oxidation der aktiven Ober­ flächen zu verhindern. Oxidierte Oberflächen verhindern die Benetzung wenn sie nicht mechanisch zerstört werden. Durch eine angepaßte Be­ deckung können die empfindlichen Schichten vor dem Bonden längere Zeit gelagert werden.Corrosion protection layers consist of a precious metal (preferably Gold) and can be above the Lo component (and of course the Hi component) are attached to the oxidation of the active upper to prevent areas. Oxidized surfaces prevent wetting if they are not mechanically destroyed. By an adapted Be The sensitive layers can last longer before bonding Time to be stored.

In vielen Applikationen werden diese Komponenten auf die zu verbin­ denden Teile wie Halbleiterchip und Substrat aufgebracht. Dazu sind oft Adhäsionsschichten notwendig und können in den Bindungsprozeß ein­ bezogen werden.In many applications, these components are connected to the end parts such as semiconductor chip and substrate applied. To do this are often Adhesive layers are necessary and can be used in the bonding process related.

Außerdem werden Diffusionsbarrieren zur Verhinderung der Inter­ diffusion der aktiven Bestandteile benötigt. Ohne diese würden die Komponenten vor der Verwendung vorzeitig reagieren. Außerdem können diese Barrieren dazu benutzt werden, die Diffusion störender Elemente von der Verbindungszone in aktive Halbleiterregionen zu unterbinden. Das Herabsetzen der Erstarrungszeit - das ist die Minimalabbindungs­ zeit - kann ein wichtiges Ziel zur Verbesserung der Durchlaufzeit im Verfahren sein. Dies kann man natürlich dadurch erreichen, daß die Hi- Lo-Kombination so gewählt wird, daß die intermetallische Phase eine hö­ here Wachstumsrate besitzt oder indem man die Abbindetemperatur er­ höht. Dies ist aber nicht immer anwendbar und ein praktischer Weg ist die Erniedrigung der aktiven Schichtdicke. Da die Wachstumsraten in diesen Systemen oft einem parabolischen Wachstumsgesetz folgen, ergibt das Herabsetzen der Schichtdicke der aktiven Lo-Komponente um den Faktor 1/2 eine Reduktion der Erstarrungszeit um den Faktor 1/4. Da ein unterer Grenzwert für die aktive Schichtdicke durch die Ober­ flächenrauhigkeit oder die Krümmung der zu fügenden Teile gegeben ist, kann man sich damit behelfen, die aktive Schicht über benachbarte oder sich mehrfach wiederholende Schichten zu verteilen.Diffusion barriers to prevent inter diffusion of the active ingredients needed. Without this, they would React components early before use. You can also these barriers are used to diffuse disruptive elements from the connection zone into active semiconductor regions. Reducing the setting time - that is the minimum setting time - can be an important goal to improve lead time in Procedure. This can of course be achieved by Lo combination is chosen so that the intermetallic phase a high growth rate or by setting the setting temperature increases. However, this is not always applicable and is a practical way the reduction in the active layer thickness. As the growth rates in these systems often follow a parabolic growth law reducing the layer thickness of the active Lo component by Factor 1/2 a reduction in the setting time by a factor of 1/4. There a lower limit for the active layer thickness by the upper given surface roughness or the curvature of the parts to be joined  you can help yourself by moving the active layer over neighboring ones or spreading repetitive layers.

Beispiel 1example 1

Ein instruktives und realistisches Beispiel für die Kombination einer Schutzschicht mit einer Adhäsionsschicht ist in Fig. 5 anhand des ter­ nären Au-In-Ti-Systems dargestellt. Das Ziel ist es, einen Siliziumchip 2 an ein Siliziumsubstrat 1 zu binden. Auch Substrate wie AlN können in den folgenden Beispielen ebenso verwendet werden. Die aktive Indium­ schicht wird auf die Oberfläche des Siliziumchips 2 abgeschieden und nicht auch auf das Substrat 1. Man möchte den Schichtenaufbau verein­ fachen und freies restliches Indium auf der Substratfläche nach dem Bonden vermeiden. Eine Titanschicht dient als Adhäsionsschicht und wird auf beiden Seiten verwendet. Jedoch können auch Chrom oder an­ dere Adhäsionsverbesserungsschichten und dünnere Schichten ebenso verwendet werden. Die schützende Goldbedeckung von etwa 0,1 µm soll die Oxidation von Indium verhindern, wie Fig. 5a zeigt. Diese Gold­ bedeckung reagiert unmittelbar (und sogar bei Raumtemperatur) mit der Indiumschicht zu AuIn₂. Es ist wichtig zu wissen, daß 0,3 µm der ur­ sprünglichen Indiumschicht durch diese Reaktion verbraucht werden und nur 1,7 µm der aktiven Indiumschicht übrigbleiben, wie in Fig. 5b dargestellt ist. Da das gebildete AuIn₂ eine sehr stabile Phase ist, wird angenommen, daß sie ebenso als Oxidationsschutzschicht dient.An instructive and realistic example of the combination of a protective layer with an adhesive layer is shown in FIG. 5 using the tertiary Au-In-Ti system. The goal is to bond a silicon chip 2 to a silicon substrate 1 . Substrates such as AlN can also be used in the following examples. The active indium layer is deposited on the surface of the silicon chip 2 and not also on the substrate 1 . One would like to simplify the layer structure and avoid free residual indium on the substrate surface after the bonding. A titanium layer serves as an adhesive layer and is used on both sides. However, chrome or other adhesion enhancement layers and thinner layers can also be used. The protective gold covering of approximately 0.1 μm is intended to prevent the oxidation of indium, as shown in FIG. 5a. This gold covering reacts immediately (and even at room temperature) with the indium layer to AuIn₂. It is important to know that 0.3 µm of the original indium layer is consumed by this reaction and only 1.7 µm of the active indium layer remains, as shown in Fig. 5b. Since the AuIn₂ formed is a very stable phase, it is assumed that it also serves as an oxidation protection layer.

Diese AuIn₂-Schicht wird durch leichten Druck beim Bonden zerstört und erlaubt nach dem Schmelzen des aktiven Indiums die Benetzung des goldbedeckten Substrats 1. Während des Bondens reagiert Indium mit der Goldbedeckung des Substrats von beispielsweise 2 µm, um 2,5 µm AuIn₂ zu bilden. Darin eingeschlossen ist die durch isotherme Erstarrung entstandenen 0,4 µm dicke Schicht des verteilten AuIn₂ (siehe Fig. 5c). Die laterale Diffusion spielt in der relativ kurzen Reaktionszeit keine Rolle. Da das flüssige Indium ziemlich reaktiv ist, wird die Bildung von Ti₃In₄ erwartet. Dabei werden 0,2 µm der Indiumschicht vollständig verbraucht. Die Bildung von AuIn₂ aus festem Indium und Gold ist mit einer berechneten Volumenvergrößerung von 2,6% verbunden. Startet man mit flüssigem Indium, ist dort eine geringe Ausdehnung von 0,7% vorhanden, und daher entstehen keine Hohlräume während des Verfestigungsprozesses. This AuIn₂ layer is destroyed by slight pressure during bonding and allows the gold-covered substrate 1 to be wetted after the active indium has melted. During the bonding, indium reacts with the gold covering of the substrate, for example 2 µm, to form 2.5 µm AuIn₂. This includes the 0.4 µm thick layer of distributed AuIn₂ created by isothermal solidification (see Fig. 5c). Lateral diffusion plays no role in the relatively short reaction time. Since the liquid indium is quite reactive, the formation of Ti₃In₄ is expected. 0.2 µm of the indium layer is completely used up. The formation of AuIn₂ from solid indium and gold is associated with a calculated volume increase of 2.6%. If you start with liquid indium, there is a small expansion of 0.7%, and therefore no voids are created during the solidification process.

Die Diffusionsreaktion endet abrupt, wenn die Flüssigkeit verbraucht ist. Nach langer Zeit entsteht durch Festkörperdiffusion ein Zustand, wie er in Fig. 5d dargestellt ist. Zusätzliche goldreiche Phasen, welche Indium enthalten, wachsen zwischen AuIn₂ und Au durch teilweisem Verbrauch dieser Endphasen. Die durchschnittliche Zusammensetzung dieser Region entspricht 24,5 Gew.-% Indium und 75,5 Gew.-% Gold. Da­ bei wird die laterale Diffusion und die Ti-Au-Reaktion nicht berück­ sichtigt. Die laterale Diffusion stellt ein großes Goldreservoir zur Ver­ fügung und damit zeigt sich die Unmöglichkeit, ein binäres Au-In- Schichtsystem in dieser Konfiguration mit definierter Zusammensetzung, beispielsweise im Bereich 37-53 Gew.-% Indium zu entwickeln, um die Wiederaufschmelztemperatur TR nach Erreichen des Gleichgewichts auf 495,4°C zu erhöhen (siehe Fig. 3).The diffusion reaction ends abruptly when the liquid is used up. After a long time, solid state diffusion gives rise to a state as shown in FIG. 5d. Additional phases rich in gold, which contain indium, grow between AuIn₂ and Au due to the partial consumption of these end phases. The average composition of this region corresponds to 24.5% by weight indium and 75.5% by weight gold. Lateral diffusion and the Ti-Au reaction are not taken into account. The lateral diffusion provides a large gold reservoir and this shows the impossibility of developing a binary Au-In layer system in this configuration with a defined composition, for example in the range 37-53% by weight indium, in order to achieve the remelting temperature T R after reaching equilibrium to 495.4 ° C (see Fig. 3).

Die Reaktionszone in Fig. 5d ist noch nicht vollständig im Gleichgewicht, dennoch ist die Schichtfolge Ti₃In₄/AuIn₂/Au-reiche Phasen/Au in einem lokalen Gleichgewicht. Die zusätzliche Bildung von TiAu in der Verbin­ dung wird in Folgen wie Ti₃In₄/TiAu/AuIn₂/Au-reich/Au oder Ti₃In₄/AuIn₂/TiAu-reich/Au erwartet, was aber von den beweglichen Komponenten abhängt, Gold im ersteren und Titan im letzteren Fall. Es kommt also darauf an, die Erstarrungsrate zu beschleunigen und Diffusionsbarrieren aufzubauen. Der einfachste Weg, die aktive Schicht­ dicke in mehrfache, wenn auch dünne, wiederholende Schichten aufzu­ teilen, ist für das Au-In-System nicht möglich. Solche Schichtaufbauten leiden an der vorzeitigen Reaktion zu AuIn₂ während der Aufbewah­ rungszeit, wobei sich die aktive Indiumschicht verzehrt. Diese vorzei­ tige Reaktion kann sogar vollständig sein, da die individuellen In/Au- Verhältnisse so eingestellt werden sollten, daß ein Goldüberschuß da ist, um eine vollständige lokale Verfestigung jeder individuellen Indium­ schicht zu gewährleisten.The reaction zone in Fig. 5d is not yet completely in equilibrium, but the layer sequence Ti₃In₄ / AuIn₂ / Au-rich phases / Au is in a local equilibrium. The additional formation of TiAu in the compound is expected in consequences such as Ti₃In₄ / TiAu / AuIn₂ / Au-reich / Au or Ti₃In₄ / AuIn₂ / TiAu-reich / Au, but this depends on the movable components, gold in the former and titanium in the latter case. It is therefore important to accelerate the solidification rate and to set up diffusion barriers. The easiest way to divide the active layer into multiple, albeit thin, repeating layers is not possible for the Au-In system. Such layer structures suffer from the premature reaction to AuIn₂ during the storage period, with the active indium layer being consumed. This premature reaction can even be complete since the individual In / Au ratios should be set so that there is an excess of gold in order to ensure complete local solidification of each individual indium layer.

Ein Weg um dieses Problem zu lösen, ist die physikalisch getrennte Aufbewahrung der Komponenten mit Niedertemperaturreaktivität, also In/Au oder allgemein Hi1 auf der einen Seite und einen direkten Hi2/In- Kontakt mit einer hochschmelzenden Komponente Hi2, welche der vorzei­ tigen Reaktion mit Indium nicht nennenswert ausgesetzt ist, wie in Fig. 6a gezeigt ist. Eine optionale oxidationshemmende Au-Bedeckung ist ebenfalls in Fig. 6a dargestellt. Weitere mögliche Adhäsionsschichten sind weggelassen. Während des Bondens schreitet die Reaktion von bei­ den Seiten Hi1 und Hi2 fort. Dabei verteilt sich die Indiumschicht auf beide Reaktionen und verschwindet in der Verfestigungsphase. Eine na­ heliegende Auswahl für Hi1 ist Gold, jedoch sind andere Elemente, wie Pd oder Pt, welche sehr stabile Verbindungen mit Indium eingehen, ebenfalls möglich. Für Hi2 kann jedes der bevorzugten Elemente der In- Kolonne in Tabelle 2, außer Au als vorläufiger Kandidat ausgewählt werden. Das Ausmaß der vorzeitigen Reaktion mit Indium im festen Zu­ stand muß experimentell festgestellt werden. Die Daten für die Reak­ tionsraten sind nicht bekannt, außer für flüssiges Indium in der Ag-In- Reaktion, welche allerdings langsamer abläuft als die entsprechende Au- In-Reaktion. Kandidaten für Hi2 sind Ag, Ni, Pd oder Pt.One way to solve this problem is to physically separate the components with low-temperature reactivity, i.e. In / Au or generally Hi1 on the one hand, and direct Hi2 / In contact with a high-melting component Hi2, which enables the early reaction with indium is not significantly exposed, as shown in Fig. 6a. An optional antioxidant Au covering is also shown in Fig. 6a. Further possible layers of adhesion are omitted. During bonding, the response from at Hi1 and Hi2 progresses. The indium layer is distributed over both reactions and disappears in the solidification phase. Gold is an obvious choice for Hi1, but other elements such as Pd or Pt, which form very stable compounds with indium, are also possible. For Hi2, any of the preferred elements of the In column in Table 2, except Au, can be selected as a preliminary candidate. The extent of the premature reaction with indium in the solid state must be determined experimentally. The data for the reaction rates are not known, except for liquid indium in the Ag-In reaction, which, however, proceeds more slowly than the corresponding Au-In reaction. Hi2 candidates are Ag, Ni, Pd or Pt.

Beispiel 2Example 2

Eine andere Möglichkeit, um die vorzeitige Reaktion zu verhindern ist die, eine Diffusionsbarriere X zwischen Indium und Hi2 anzubringen, wie in Fig. 6b gezeigt ist. In diesem Falle kann sowohl Hi1 als auch Hi2 Gold sein. Andere Möglichkeiten für Elemente, welche in der Tabelle 1 aufgezählt sind, sind durchaus denkbar. Eine begrenzte Reaktion im festen Zustand zwischen Indium X oder Hi2 und X ist tolerierbar. Eine bedeutende Anforderung an die Diffusionsbarriere X ist die, daß sie sich während des Bondens opfern muß, um die Reaktion zwischen flüssigem Indium und Hi2 zu ermöglichen. Das ist sicherlich der Fall für X = Sn. Die Vorzüge dieser Technik ergeben sich daraus, daß das Massenverhältnis Sn zu In auf den Wert 23 : 77 begrenzt wird oder daß die Schichtdicke unterhalb eines Verhältnisses 0,6 µm Sn zu 2 µm In begrenzt wird. Das ist mit den Vorgängen im Einklang, die in Fig. 6b dargestellt sind. Die Fähigkeit von Zinn (Sn) als effektive Diffusions­ barriere gegen eine vorzeitige Reaktion zwischen Gold und Indium zu wirken, konnte experimentell verifiziert werden. Eine Ausführungsform der Erfindung verwendet hochschmelzende Diffusionsbarrieren wie X = Ti oder Ni, welche noch effizienter sind. Ein System mit X = Sn und Hi1 = Hi2 = Au ist sehr vielversprechend. Diese Technik kann selbstver­ ständlich auch mit den anderen Elementen aus der Tabelle 2 ausgeführt werden.Another way to prevent the premature reaction is to place a diffusion barrier X between indium and Hi2, as shown in Fig. 6b. In this case, both Hi1 and Hi2 can be gold. Other possibilities for elements, which are listed in Table 1, are quite conceivable. A limited reaction in the solid state between indium X or Hi2 and X is tolerable. An important requirement for the diffusion barrier X is that it must sacrifice itself during bonding in order to allow the reaction between liquid indium and Hi2. That is certainly the case for X = Sn. The advantages of this technique result from the fact that the mass ratio Sn to In is limited to the value 23:77 or that the layer thickness is limited below a ratio of 0.6 µm Sn to 2 µm In. This is consistent with the processes shown in Figure 6b. The ability of tin (Sn) to act as an effective diffusion barrier against premature reaction between gold and indium has been experimentally verified. One embodiment of the invention uses high melting diffusion barriers such as X = Ti or Ni, which are even more efficient. A system with X = Sn and Hi1 = Hi2 = Au is very promising. This technique can of course also be carried out with the other elements from Table 2.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Anwendungen erläutert. In the following, the invention is explained on the basis of applications.  

Eine der wenigen Anwendungen der isothermen Erstarrung betrifft die Befestigung von Leistungshalbleitern auf Substraten, die als Wär­ mesenke vorgesehen sind. Hier gibt es Schwierigkeiten mit großflächi­ gen Bauelementen oberhalb von 75 mm Durchmesser. Es konnte zwar be­ reits gezeigt werden, daß eine erfolgreichste Lösung durch Diffusions­ löten mit Systemen wie Ag-Sn oder Ag-In erzielt werden kann, die Wiederaufschmelzungstemperatur dieser Lote ist aber noch zu niedrig und begrenzt vor allem die maximal möglichen Prozeßtemperaturen bei der Weiterverableitung der Chips.One of the few applications of isothermal solidification concerns Attachment of power semiconductors to substrates used as heat mesenke are provided. Here there are difficulties with large areas components above 75 mm in diameter. It could be already shown that a most successful solution through diffusion Soldering can be achieved with systems like Ag-Sn or Ag-In that The re-melting temperature of these solders is still too low and above all limits the maximum possible process temperatures forwarding the chips.

Die Durchführung der Diffusionslötung mit den nach der Erfindung be­ vorzugten Materialien findet im allgemeinen in einem Vakuumofen statt. Metallisierte Halbleiter (vorzugsweise Si oder SiC) werden mit anderen metallisierten Halbleitern (vorzugsweise Si oder SiC) oder mit einem metallisiertes Substrat (Keramiken wie Al₂O₃, AlN, SiC oder Metallen wie Mo, W, Cu, Fe-Ni) verbunden. Die Metallisierungen enthalten eine oder mehrere Hi-Komponenten und eine oder mehrere Lo-Komponenten und zusätzlich mögliche Adhäsionsvermittler und Schutzschichten. Die Ver­ bindung mittels Diffusionslöten erweist sich zusammen mit einer guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit als thermisch sehr stabil und mechanisch sehr zuverlässig.Carrying out the diffusion soldering with the be according to the invention preferred materials generally take place in a vacuum oven. Metallized semiconductors (preferably Si or SiC) are used with others metallized semiconductors (preferably Si or SiC) or with a metallized substrate (ceramics such as Al₂O₃, AlN, SiC or metals such as Mo, W, Cu, Fe-Ni) connected. The metallizations contain one or several Hi components and one or more Lo components and additional possible adhesion promoters and protective layers. The Ver Binding by means of diffusion soldering proves together with a good one thermal and electrical conductivity as thermally very stable and mechanically very reliable.

Zur Durchführung des Verfahrens ist folgendes zu beachten:The following must be observed to carry out the procedure:

  • - Physikalisch werden die Hauptkörper der Hi- und Lo-Schichten se­ pariert, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
    Eine vorzeitige Reaktion der aktiven Lo-Schichten wird dadurch vermieden, sogar ohne Diffusionsbarriere. Die angegebenen Schichtdicken können durchaus variiert werden und die schüt­ zende Goldbedeckung kann durch eine Schutzschicht aus Silber ersetzt werden.
    - Physically, the main bodies of the Hi and Lo layers are separated, as shown in Figs. 5 and 6.
    This prevents premature reaction of the active Lo layers, even without a diffusion barrier. The specified layer thicknesses can be varied and the protective gold covering can be replaced by a protective layer made of silver.
  • - Die Hi-Komponenten und die Lo-Komponente sind aus Tabelle 2 zu entnehmen, welche auf einer sorgfältigen und vollständigen metallurgischen Untersuchung beruht.- The Hi components and the Lo components are shown in Table 2 refer to which on a careful and complete metallurgical investigation based.
  • - Um die Verfestigungsrate zu beschleunigen, werden Vielschicht­ strukturen vorgeschlagen, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind. Die angegebenen Schichtdicken sind lediglich beispielhaft und es können auch Silberschutzschichten verwendet werden.- In order to accelerate the solidification rate, multilayer structures are proposed, as shown in FIG. 6. The layer thicknesses given are only examples and silver protective layers can also be used.

Die sogenannte Flip-Chip-Verbindung von Halbleitern für die Befesti­ gung und die örtliche elektrische Verbindung in einem Schritt wird durch eine vorgegebene Anordnung von Verbindungen hergestellt. Die vorerwähnten Vorschläge gelten auch für diese Technologie, wenn die entsprechenden lateralen Strukturen der Metallisierung vorher durch­ geführt wurden. Zur selbstjustierenden Verbindung werden in üblicher Weise kuppenartige Strukturen verwendet. Dazu wird die Hi-Komponente oder aber die zugrunde liegende Metallisierung, welche nicht an dem Diffusionslötprozeß teilnimmt, mit größerer Schichtdicke hergestellt.The so-called flip-chip connection of semiconductors for mounting supply and the local electrical connection in one step made by a given arrangement of connections. The The aforementioned suggestions also apply to this technology if the corresponding lateral structures of the metallization beforehand were performed. For the self-adjusting connection are common Way used dome-like structures. This is the hi component or the underlying metallization, which is not on the Diffusion soldering process takes part, made with a larger layer thickness.

Claims (14)

1. Anordnung zum Herstellen einer temperaturstabilen Verbindung mittels Diffusionslöten eines ersten mit einem zweiten Körper, wo­ bei ein Körper mit einem hochschmelzenden Metall (Hi) beschichtet ist und zwischen dem ersten und zweiten Körper eine Zwischen­ schicht aus niedrigschmelzendem Metall (Lo) angeordnet ist, wobei die höherschmelzende Schicht (Hi) und die niedrigschmelzende Zwischenschicht (Lo) Flächen aufweisen, die unter einem vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruck fügbar sind, wobei die flüssige Zwischenschicht (Lo) die Fügeoberflächen benetzt, und dabei eine intermetallische Phase vom Material der niedrig­ schmelzenden Zwischenschicht (Lo) und der höherschmelzenden Schicht (Hi) bildet, die eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Oberflächen ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Körper eine Substrat- (1) bzw. Halblei­ terscheibe (2) ist, daß als hochschmelzende Komponente auf dem Substrat (1) eine Schicht (Hi1) aufgebracht ist und daß eine zweite hochschmelzende Schicht (Hi2) auf der Halbleiterscheibe (2) als Schutzschicht aufgebracht ist.1. Arrangement for producing a temperature-stable connection by means of diffusion soldering of a first to a second body, where a body is coated with a high-melting metal (Hi) and an intermediate layer of low-melting metal (Lo) is arranged between the first and second body, wherein the higher-melting layer (Hi) and the lower-melting intermediate layer (Lo) have surfaces that can be joined under a predetermined temperature and contact pressure, the liquid intermediate layer (Lo) wetting the joining surfaces, and thereby an intermetallic phase from the material of the low-melting intermediate layer ( Lo) and the higher-melting layer (Hi), which enables a positive connection between the two surfaces, characterized in that the first and second body is a substrate ( 1 ) or semi-conductor plate ( 2 ) that as a high-melting component a layer (Hi1) is applied to the substrate ( 1 ) eight and that a second high-melting layer (Hi2) is applied to the semiconductor wafer ( 2 ) as a protective layer. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht unter der niedrigschmelzenden Schicht (Lo) angeordnet ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized, that the protective layer under the low-melting layer (Lo) is arranged. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht über der niedrigschmelzenden Schicht (Lo) angeordnet ist. 3. Arrangement according to claim 1, characterized, that the protective layer over the low-melting layer (Lo) is arranged.   4. Verfahren zum Herstellen einer temperaturstabilen Verbindung mittels Diffusionslöten eines ersten mit einem zweiten Körper, wobei ein Körper mit einem hochschmelzenden Metall (Hi) beschichtet wird und zwischen dem ersten und zweiten Körper eine Zwischenschicht aus niedrigschmelzendem Metall (Lo) angeordnet wird und danach die höherschmelzende Schicht (Hi) und die niedrigschmelzende Zwischenschicht (Lo) in Berührung gebracht und unter einem vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruckverlauf derart erwärmt werden, daß die Zwischenschicht (Lo) flüssig wird und die Fügeoberflächen benetzt, und dabei durch Diffusion der flüssigen Zwischenschicht in die höherschmelzende Schicht (Hi) eine intermetallische Phase vom Material der niedrigschmelzenden Zwischenschicht (Lo) und der höherschmelzenden Schicht (Hi) gebildet wird, wobei die niedrigschmelzende Komponente durch Diffusion und Bildung einer neuen Komponente (Hi-Lo) verbraucht und durch die dabei ablaufende Erstarrung eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Oberflächen gebildet wird, und wobei nach Erstarren der geschmolzenen Schicht die neugebildete Phase einen wesentlich höheren Schmelzpunkt (TR) aufweist als die niedrigschmelzende Komponente, mittels einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Körper Substrat- (1) bzw. Halbleiterscheiben (2) sind, daß als hochschmelzende Komponente auf dem Substrat (1) eine Schicht (Hi1) als Schicht aufgebracht wird und daß eine zweite hochschmelzende Schicht (Hi2) und eine niedrigschmelzende Komponente (Lo) auf der Halbleiterscheibe (2) aufgebracht werden und daß die hochschmelzenden Schichten so dick gewählt werden, daß die niedrigschmelzende Schicht (Lo) beim Fügevorgang voll­ ständig umgewandelt wird.4. A method for producing a temperature-stable connection by means of diffusion soldering of a first to a second body, wherein a body is coated with a high-melting metal (Hi) and an intermediate layer of low-melting metal (Lo) is arranged between the first and second body and then the higher-melting one Layer (Hi) and the low-melting intermediate layer (Lo) are brought into contact and heated under a predetermined temperature and contact pressure curve in such a way that the intermediate layer (Lo) becomes liquid and wets the joint surfaces, and thereby by diffusion of the liquid intermediate layer into the higher-melting layer (Hi) an intermetallic phase is formed from the material of the low-melting intermediate layer (Lo) and the higher-melting layer (Hi), the low-melting component being consumed by diffusion and the formation of a new component (Hi-Lo) and a fo A positive connection is formed between the two surfaces, and wherein after the molten layer has solidified, the newly formed phase has a significantly higher melting point (T R ) than the low-melting component, by means of an arrangement according to claim 1, characterized in that the two bodies have substrate ( 1 ) or semiconductor wafers ( 2 ) are that a layer (Hi1) is applied as a layer as the high-melting component on the substrate ( 1 ) and that a second high-melting layer (Hi2) and a low-melting component (Lo) are applied to the semiconductor wafer ( 2 ) are applied and that the high-melting layers are chosen so thick that the low-melting layer (Lo) is completely converted during the joining process. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrigschmelzende Komponenten (Lo) Metalle mit einem Schmelzpunkt unter 450°C wie Bi, Ga, In, Pb oder Sn verwendet werden. 5. The method according to claim 4, characterized, that as low melting components (Lo) metals with a Melting point below 450 ° C such as Bi, Ga, In, Pb or Sn used will.   6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrigschmelzende Komponente (Lo) Indium verwendet wird.6. The method according to claim 4 or 5, characterized, that used as low-melting component (Lo) indium becomes. 7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrigschmelzende Komponente (Lo) Zinn verwendet wird.7. The method according to claim 4 or 5, characterized, that tin is used as the low-melting component (Lo). 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Körper zunächst eine Haftschicht für die nachfolgende Schicht abgeschieden wird.8. The method according to any one of claims 4 to 7, characterized, that on a body first an adhesive layer for the subsequent layer is deposited. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf dem Substrat, als auch auf dem Halbleiter zunächst eine hochschmelzende Schicht (Hi1, Hi2) abgeschieden wird.9. The method according to any one of claims 4 to 8, characterized, that both on the substrate, as well as on the semiconductor first a high-melting layer (Hi1, Hi2) is deposited becomes. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine niedrigschmelzende Schicht (Lo) aus Sn besteht und auf einer Schicht (Hi2) aus einem der hochschmelzenden Metalle Co, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ni, Pt, Rh, Ru, V oder Zr abgeschieden wird.10. The method according to any one of claims 4 to 9, characterized, that a low-melting layer (Lo) consists of Sn and on a layer (Hi2) of one of the high-melting metals Co, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ni, Pt, Rh, Ru, V or Zr is deposited. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigschmelzende Schicht (Lo) aus Indium besteht und auf einer hochschmelzenden Schicht (Hi) aus Mn, Pd, Pt, Ti oder Zr abgeschieden wird.11. The method according to any one of claims 4 to 9, characterized, that the low melting layer (Lo) consists of indium and on a high melting layer (Hi) made of Mn, Pd, Pt, Ti or Zr is deposited. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Schicht (Lo) gegen Oxidation auf dieser eine Schicht (Hi1) aus einem hochschmelzenden Edelmetall abgeschieden wird. 12. The method according to any one of claims 4 to 11, characterized, that to protect the layer (Lo) against oxidation on this one Layer (Hi1) deposited from a high-melting precious metal becomes.   13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat und/oder der Halbleiterscheibe eine Diffusionsschutzschicht (Hi2) abgeschieden wird.13. The method according to any one of claims 4 to 12, characterized, that on the substrate and / or the semiconductor wafer Diffusion protection layer (Hi2) is deposited. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus einem hochschmelzenden Material (Hi1) besteht, welches mit der niedrigschmelzenden Schicht (Lo) bereits vor dem Fügen eine stabile intermetallische Verbindung eingeht, die nicht nennenswert oxidiert.14. The method according to any one of claims 4 to 13, characterized, that the protective layer is made of a high-melting material (Hi1) exists, which already with the low-melting layer (Lo) a stable intermetallic bond is established before joining, which does not oxidize appreciably.
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