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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Chipanordnung, bei der
ein Chip mittels einer Verbindungseinrichtung mit zumindest einem
weiteren Chip oder einem Substrat verbunden ist. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Verbinden eines
Chips mit einem weiteren Chip oder einem Substrat.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Anwendungsbereich, bei
dem zwei oder mehrere Materialbausteine, beispielsweise Chips, verschiedene
Substratmaterialien, IC-Bausteine, unter Verwendung der Die-Bond-
oder Flip-Chip-Technik zumindest mechanisch und/oder elektrisch
und/oder thermisch verbunden werden. Diese Verfahren finden beispielsweise
Anwendung bei der Verbindung zweier oder mehrerer Chips oder bei
der Befestigung und/oder Kontaktierung von Chips auf Substraten, insbesondere
zur Bildung von Multi-Chip-Modulen (MCM)
und in der Optoelektronik. Die vorliegende Erfindung ist generell
vorteilhaft auf allen Gebieten einsetzbar, wo größere Bauteile montiert und/oder
höhere
Verlustleistungen abgeführt
werden müssen, beispielsweise
auf den Anwendungsfeldern der Optoelektronik und/oder der Leistungselektronik.
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Es
ist bekannt, daß Chips
aus Si, GaAs oder InP mit hoher Verlustleistung auf sogenannten
Wärmespreizern
und/oder Kühlern,
sogenannten Wärmesenken,
montiert werden müssen.
Bei einer derartigen Montage sollte der Kontakt zwischen den Chips und
der Wärmesenke
möglichst
großflächig sein,
um die Wärme
sehr gut zu der Wärmesenke
weiterzuleiten. Ein Wärmestau
und zu hohe Temperaturen in einem Chip führen zu einer hohen Degradation
und können
einen plötzlichen
Ausfall bewirken.
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Die
Materialbausteine werden daher gelötet, da Lote sehr niedrige
thermische und sehr niedrige elektrische Widerstände aufweisen. Das Lot kann galvanisch
oder stromlos abgeschieden, aufgedampft oder aufgesputtert sein,
oder alternativ in der Form eines Lötplättchens (Preform) vorliegen.
Als Wärmespreizer
oder Kühler
werden Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Cu, kubisches
BorNitrid oder Diamant, verwendet.
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Dabei
existieren jedoch teilweise sehr große Unterschiede der Ausdehnungskoeffizienten
der Materialbausteine. Um die durch den Lötprozess induzierten und im
Betrieb aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
auftretenden thermomechanischen Spannungen abzufangen, muß ein weiches
Lotmaterial mit einer niedrigen Fließgrenze verwendet werden. Beispielsweise
werden bei der Montage von Hochleistungslaserbarren aus AlGaAs/GaAs
oder InGaAs/GaAs dieselben standardisiert mit In-Lot auf Kupfer
(Cu) oder Diamant aufgelötet.
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Durch
das sehr weiche In-Lot können
die auftretenden Spannungen abgebaut werden. Jedoch weisen die mittels
des obigen Verfahrens gelöteten Laserbarren
eine erwartete Lebensdauer von nur 5.000 Stunden auf. Der Grund
für diese
niedrige Lebensdauer ist die Verwendung des In-Lotes mit einer geringen
Zuverlässigkeit.
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Höhere Lebensdauern
und Zuverlässigkeiten
kann man nur durch den Einsatz von höher schmelzenden Loten, beispielsweise
Pb(37)Sn(63), Au(80)Sn(20), erzielen. Diese Lote weisen erheblich höhere Fließgrenzen
auf und können
daher die induzierten Spannungen nicht oder nur teilweise abbauen.
Für Anwendungen
in der Optikelektronik ist der Einsatz von Au(80)Sn(20)-Lot von
höchstem
Interesse, da mit demselben ein flußmittelfreier Lötprozess durchgeführt werden
kann. Verwendet man dieses Lot um GaAs auf Diamant zu löten, liegen
die Spannungen ab einer bestimmten Chipgröße, die von den Dicken der
Materialbausteine abhängt,
oberhalb der Bruchgrenze des GaAs. Es ist möglich, durch geschickte Wahl
der Lötparameter,
Temperatur und Zeit die Spannungen bis knapp unterhalb der Bruchgrenze
zu reduzieren. Für
optisch aktive Materialbausteine müssen die Spannungen jedoch
um den Faktor 2 bis 4 reduziert werden, damit der Chip funktionsfähig ist.
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Die
US-A-5324987 beschreibt elektronische Vorrichtungen, bei denen ein
integrierter Schaltungschip mittels einer Basis auf einem dielektrischen
Substrat angebracht ist. Die Basis weist eine Mehrzahl von Diamantbereichen
in Kombination mit Bereichen aus einem anderen Material, das einen
höheren
thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Substrat aufweist,
auf. Eine Haftwirkung zwischen dem Chip und der Basis wird im allgemeinen
durch zumindest eine Metallschicht geliefert. Dabei wird zunächst vorzugsweise
eine Nickel/Gold-Kombination
auf den Metallbereichen der Basis, d.h. den Bereichen aus dem anderen
Material, abgeschieden, jedoch nicht auf den Diamantbereichen. Nachfolgend
wird ein geeignetes Lotmittel auf die Metallschicht aufgebracht, wobei
dieses Lotmittel zum Verbinden der Basis mit geeigneten Verbindungsstellen
des Chips dient.
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S.
Weiß u.a., "Mounting of High
Power Laser Diodes on Diamond Heatsinks", in IEEE Trans. on Components, Packaging,
and Manufact. Techn. – Part
A, vol. 19, Nr. 1 März
1996, S. 46 – 53,
beschreiben Verfahren zum Befestigen von Hochleistungslaserdioden
auf Diamantwärmesenken,
wobei zur Befestigung Au(80)Sn(20)-Lötmittel verwendet wird.
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Bei
Hoover, D.S. u.a., "Diamond
Thin Film: Applications in Electronics Packaging", in: Solid State Techn., Februar 1991,
S. 89 – 92,
ist die Anwendung von mittels CVD-Verfahren aufgewachsenen Diamantdünnfilmen
zur Wärmeableitung
beschrieben.
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Ausgehend
von dem oben dargestellten Stand der Technik liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Chip anordnung bestehend aus
einem Chip, einer Verbindungsvorrichtung und zumindest einem weiteren
Chip oder einem Substrat, und Verfahren zum Verbinden eines Chips
mit einem weiteren Chip oder einem Substrat zu schaffen, bei denen
jeweilige Verbindungen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und ferner
eine lange Lebensdauer der durch die Verbindungen gebildeten Struktur
gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Chipanordnung gemäß Anspruch 1 und Verfahren
nach den Ansprüchen
10 und 15 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Chipanordnung, die aus einem
ersten Chip, einer Verbindungsvorrichtung und zumindest einem zweiten
Chip oder einem Substrat besteht, wobei die Verbindungsvorrichtung
aus einer Mehrzahl einzelner voneinander beabstandet angeordneter
Diamantteile besteht, die zwischen den Chips oder zwischen dem ersten Chip
und dem Substrat angeordnet und mit denselben derart verbunden sind,
daß die
Chips oder der Chip und das Substrat ausschließlich über die Diamantteile miteinander
verbunden sind.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
schafft die vorliegenden Erfindung eine Chipanordnung, die aus einem
Hochleistungs-Chip und einem Kühlsubstrat
besteht, die mittels einer Mehrzahl einzelner voneinander beabstandet
angeordneter Diamantteile verbunden sind. Die Diamantteile können mittels
eines Lots, z.B. Au(80)Sn(20) oder Pb(37)Sn(63), mit dem Chip und/oder
dem Kühlsubstrat
verbunden sein, oder können
alternativ mittels eines Thermokompressionsbond-Verfahrens mit dem
Chip und/oder mit dem Kühlsubstrat
verbunden sein.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Verwendung eines harten Goldzinn-Lots hoher Lebensdauer, vorzugsweise
mit dem eutektischen Verhältnis
Au(80)Sn(20) um unter Verwendung eines Diamantmaterials einen ersten
Chip mit einem zweiten Chip oder einem Substrat, beispielsweise
einer Wärmesenke,
zu verbinden. Der zweite Chip oder das Substrat weisen vor zugsweise
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der im wesentlichen gleich
dem des ersten Chips ist, um das Einführen jeglicher Spannungen in
den Chip, die zu einem Bruch des Chips führen könnten, zu vermeiden.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
somit beispielsweise die vorteilhafte Montage von Hochleistungslaserbarren,
die bei typischen Abmessungen von 10mm·0,6mm·100μm eine Verlustleistung von 50
Watt aufweisen können,
auf einer Wärmesenke,
die beispielsweise aus Silizium oder AlN besteht. Bei der Montage
eines Hochleistungslaserbarrens aus GaAs auf einer Wärmesenke,
die aus Si oder AlN besteht, weisen die einzelnen voneinander beabstandeten
Diamantteile vorzugsweise einen Durchmesser ≤ 2mm auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst
eine Diamantschicht ganzflächig
auf ein Substrat aufgebracht, woraufhin die Diamantschicht zum Festlegen
einzelner voneinander beabstandeter Diamantteile strukturiert wird.
Im Anschluß werden
die einzelnen voneinander beabstandeten Diamantteile beispielsweise
mittels eines Lötverfahrens
oder eines Thermokompressionsbond-Verfahrens mit dem ersten Chip
verbunden, derart, daß der
Chip und das Substrat ausschließlich über die
Diamantteile miteinander verbunden sind.
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Gemäß einem
alternativen Verfahren zum Verbinden eines er sten Chips mit einem
zweiten Chip oder einem Substrat werden zunächst einzelne Diamantteile
voneinander beabstandet auf den ersten Chip oder den zweiten Chip
oder das Substrat aufgebracht. Nachfolgend werden die einzelnen,
voneinander beabstandeten Diamantteile mit dem anderen der beiden
Chips oder dem Substrat verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft somit Verfahren, die besonders vorteilhaft
zur Verbindung von Bauteilen mit hoher Verlustleistung mit Kühlsubstraten
geeignet sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Abbau von thermomechanischen
Spannungen auf der Diamantschicht durch das Vereinzeln der Diamantschicht
in einzelne voneinander beabstandete Diamantteile. Dadurch ermöglicht die
vorliegende Erfindung die Verwendung eines höher schmelzenden Lots und somit
eine hohe Zuverlässigkeit
bei der Kontaktierung. Folglich ergeben sich sehr niedrige elektrische
und thermische Widerstände.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittansicht eines Hochleistungslaserbarrens,
der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einer Wärmesenke angebracht
ist;
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2 eine
schematische Draufsicht der Wärmesenke
mit auf derselben angebrachten, einzelnen, voneinander beabstandeten
Diamantteilen; und
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3 eine
schematische Querschnitt-Teilansicht von unter Verwendung eines
Lots mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
verbundenen Bauteilen.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels derselben,
das sich auf die Montage eines Hochleistungslaserbarrens auf einer
Wärmesenke bezieht, näher erläutert.
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1 zeigt
einen Hochleistungslaserbarren 10 der mittels einzelner,
voneinander beabstandeter Diamantteile 12 auf einer Wärmesenke 14,
die auch als Kühlsubstrat
bezeichnet werden kann, angebracht ist. Der Hochleistungslaserbarren 10 besteht beispielsweise
aus AlGaAs/GaAs oder InGaAs/GaAs. Die Wärmesenke 14 besteht
vorzugsweise aus Silizium oder AlN. Bevorzugte Verfahren zum Herstellen
der Chipanordnung, die in 1 dargestellt
ist, werden nachfolgend erläutert.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die Wärmesenke 14 mit
den auf derselben angebrachten einzelnen, voneinander beabstandeten
Diamantteilen 12, wobei der Hochleistungslaserbarren 10 entfernt
ist. Die Diamantteile 12 können beispielsweise durch die Strukturierung
einer ganzflächig
aufgebrachten Diamantschicht, die auf das Kühlsubstrat 14 abgeschieden
wurde, hergestellt sein.
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Bei
einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der in 1 dargestellten
Chipanordnung wird zunächst
eine ganzflächige
CVD-Diamantschicht auf eine Wärmesenke,
die beispielsweise aus Si oder AlN besteht, abgeschieden. Nachfolgend wird
eine Strukturierung der Diamantschicht mittels mechanischer Bearbeitung,
beispielsweise mit einem Laserstrahl durchgeführt, um einzelne, voneinander beabstandete
Diamantteile gleicher Höhe
zu bilden. Alternativ können
vor der Abscheidung Maskierungsprozesse verwendet werden, um dadurch
bereits strukturiert einzelne, voneinander beabstandete Diamantteile
auf der Wärmesenke
abzuscheiden. Aus dem diamantbeschichteten Substrat, das später als Wärmesenke
dient, können
anschließend
mittels mechanischer Verfahren oder mittels Ätzverfahren Kühlelemente
hergestellt werden.
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Nachfolgend
wird auf diese strukturierten Diamanten bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein
höher schmelzendes
Lot, beispielsweise Au(80)Sn(20) mit bekannten Auftragstechniken
aufgebracht. Der Chip, d.h. bei der in 1 dargestellten Chipanordnung
der Hochleistungslaserbarren 10, wird über dem Kühlsubstrat 14 ausgerichtet
und nachfolgend auf die einzelnen Diamantteile gelötet. Dabei
weist der Chip in den entsprechenden Bereichen vorzugsweise entsprechende
Lötstellen
auf.
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In 3 ist
ein teilweiser Querschnitt einer Chipanordnung dargestellt, bei
der die vereinzelten Diamantteile 12 mittels eines Lötverfahrens
mit einem Chip 20 und einem Chip 22 verbunden
sind. Auf den Chips 20 und 22 ist jeweils eine
Lötmittelschicht 16 angebracht,
die vorzugsweise aus Au(80)Sn(20) besteht.
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Alternativ
zu dem oben beschriebenen Lötverfahren
kann der Chip auch mittels eines Thermokompressionsbond-Verfahrens
auf entsprechend metallisierten Diamanten montiert werden. Dazu
werden die einzelnen Diamantteile mit Oberflächenmetallisierungen versehen.
Diese Oberflächenmetallisierung
besteht vorzugsweise aus Gold. Ferner weist der Chip, der mit den
einzelnen Diamantteilen verbunden werden soll, ebenfalls Goldkontakte
auf. Diese Goldkontakte des Chips werden mit den Oberflächenmetallisierungen
der Diamantteile ausgerichtet, woraufhin der Chip mittels eines
Thermokompressionsverfahrens an die mit der Oberflächenmetallisierung
versehenen Diamantteile gebondet wird.
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Im
Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren können ferner zunächst einzelne
Diamantteile in den für
den Aufbau der späteren
Chipanordnung entsprechend optimierten Größen und Strukturen auf ein
Substrat, beispielsweise ein Kupfersubstrat, aufgebaut werden. Als
Substrat ist neben Kupfer aufgrund des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
noch vorteilhafter Wolfram-Kupfer oder Molybdän-Kupfer zu verwenden, wenn
das Substrat beispielsweise als Wärmesenke für den oben beschriebenen Hochleistungslaserbarren
dienen soll. Nach dem Aufbringen eines Lots auf die Diamantteile
können
diese dann an einen Chip gelötet
werden. Das Auftragen des Lotes kann alternativ auch vor dem Aufbau
der Diamantteile auf dem Kup fersubtrat erfolgen.
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Bei
noch einem alternativen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
werden zunächst einzelne
Diamantteile beabstandet voneinander mit einem Chip, beispielsweise
dem Hochleistungslaserbarren 10 verbunden. Diese Verbindung
kann beispielsweise wieder mittels Löttechniken oder Thermokompressionsverfahren
durchgeführt
werden. Nachfolgend werden die Diamantteile, die wiederum je nach
weiterer Vorgehensweise mit einer Oberflächenmetallisierung für ein nachfolgendes
Thermokompressionsverfahren oder mit einem Lötmittel für ein nachfolgendes Lötverfahren
versehen sind, mit dem Kühlsubstrat
verbunden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es ferner möglich,
zwischen dem Kühlsubstrat
und den einzelnen, voneinander beabstandeten Diamantteilen ein weiches
Lot, z.B. ein In-Lot, zu verwenden, um thermische Belastungen noch
weiter zu verringern, da dieses weiche Lot zwischen den einzelnen
Diamantteilen und dem Substrat die Lebensdauer der Anordnung nicht
beeinträchtigt.
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Die
oben genannten Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Chipanordnung
sind nur beispielhaft, wobei andere Materialien und eine andere
Reihenfolge der genannten Schritte verwendet werden können, um
eine erfindungsgemäße Chipanordnung
zu realisieren.