WO2013045369A1

WO2013045369A1 - Bauelement und verfahren zum herstellen dieses bauelementes mittels drucklosen sinternprozesses durch einwirken von wärme und ultraschall

Info

Publication number: WO2013045369A1
Application number: PCT/EP2012/068675
Authority: WO
Inventors: Reinhard Streitel
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-04-04
Also published as: DE102011114558A1; TW201320414A

Abstract

Es wird ein Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen dieses Bauelementes beschrieben, wobei das Bauelement zumindest einen Bauelemente-Chip (1), eine Interconnect-Schicht (2) und ein Trägersubstrat (3) aufweist. Der mindestens eine Bauelemente-Chip (1) ist über eine Interconnect-Schicht (2) mit dem Trägersubstrat (3) verbunden, wobei die Interconnect-Schicht (2) durch verdichtendes druckloses Sintern von auf dem Trägersubstrat (3) aufgebrachtem Sintermaterial gebildet ist. Der Sinterprozess erfolgt durch gleichzeitiges Einwirken von Wärme (11) und Ultraschall (4) auf das Sintermaterial.

Description

Beschreibung

BAUELEMENT UND VERFAHREN UM HERSTELLEN DIESES BAUELEMENTES MITTELS DRUCKLOSEN SINTERNPROZESSES DURCH EINWIRKEN VON WÄRME UND ULTRASCHALL

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauelement und ein

Verfahren zur Herstellung dieses Bauelementes mittels eines Sinterprozesses .

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 114 558.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt um beispielsweise

Leuchtdioden-Chips, im nachfolgenden als LED-Chips

bezeichnet, auf ein Trägersubstrat aufzubringen. Eine

Möglichkeit besteht darin zwischen dem LED-Chip und einem Substrat eine Verbindungsschicht, eine so genannte

„Interconnect-Schicht", vorzusehen .

Diese Interconnect-Schicht wird dabei üblicherweise durch Sintern eines Sintermaterials, z.B. metallischer Partikel wie Silber, hergestellt. Der gewöhnliche Sinterprozess umfasst dabei drei Schritte. In einem ersten Schritt werden

verschiedene Materialien miteinander zu dem Sintermaterial vermischt, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften

einzustellen. In einem zweiten Prozessschritt wird die

geschichtete Anordnung aus LED-Chip, Sintermaterial und

Trägersubstrat in Form gepresst. In einem dritten Schritt erfolgt das eigentliche Sintern in dem Sinterprozess. Hierbei wird die Anordnung aus LED-Chip, Sintermaterial und

Trägersubstrat auf eine Temperatur unterhalb der

Schmelzpunkte der einzelnen Anordnungselemente erhitzt. Dabei kommt es zu einer Diffusion einzelner Teilchen im Sintermaterial, wodurch die Festigkeit und die Dichte des Sintermaterials erhöht und das Volumen der Sintermaterials verringert wird. Optional wird anschließend die gesinterte Anordnung unter anderem noch wärmebehandelt, um z.B. die Härte der Anordnung zu steigern.

LED-Bauelemente weisen in der Regel an ihrer Oberfläche eine empfindliche Struktur, insbesondere eine gegenüber

mechanischem Druck empfindliche Struktur auf. Dies sind zum Beispiel aufgeraute Flächen oder auch Bondflächen und Draht- Bondstrukturen. Da durch das Zusammenpressen von Chip,

Sintermaterial und Trägersubstrat eine externe Kraft auf die empfindliche Oberfläche des Chip wirkt, kommt es leicht zu Beschädigungen an der Chipoberfläche. Aus diesem Grund ist für die Herstellung eines Bauelementes mit einer

empfindlichen Struktur an seiner Oberfläche, insbesondere LED-Bauelemente, ein solcher Sinterprozess nicht anwendbar.

Daher ist es notwendig, dass der Sinterprozess druckfrei, d.h. ohne Einwirkung eines mechanischen Druckes auf die empfindliche Oberfläche durchgeführt wird. Die Folge eines solchen drucklosen Verfahrens ist, dass es besonders bei niedrigen Sintertemperaturen zu keiner Verdichtung des

Sintermaterials kommt. Dies ist insofern ein großer Nachteil, als dass die effektive Oberfläche der gesinterten Schicht sehr groß werden kann, da es während des Sintervorgangs zu einer Porenbildung im Sintermaterial kommt. In Folge dieser Porenbildung ist die entstandene Interconnect-Schicht nur schlecht gegen Oxidation und Korrosion durch äußere Einflüsse geschützt. Mehr noch ist sie durch die große Oberfläche als Folge der Porenbildung besonders anfällig für derartige unerwünschte Prozesse. Darüber hinaus ist die Verwendung von sogenanntem Nano-Silber für druckfreies Sintern bekannt. Dabei werden die

Schichten/Formen aus Pasten mit Silberpartikeln im

Nanometerbereich geformt. Jedoch können solche Pasten mit Nanopartikeln nur für Schichtdicken bis ΙΟμιη verwendet werden, da darüber der so genannte „Sinterschrumpf" zu groß wird und es nicht zur Ausbildung einer Schicht mit homogener Dicke kommt. Zudem sind die Materialkosten solcher Nanopasten extrem hoch, wodurch der Einsatz in vielen

Produktionsverfahren durch die damit verbundenen

Herstellungskosten unwirtschaftlich ist.

Ein weiterer Nachteil ist, dass solche Nanopasten nur sehr begrenzt lagerstabil sind und deshalb umgehend verarbeitet werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde ein Bauelement mit einer empfindlichen Chipoberfläche

vorzusehen, dass eine Interconnect-Schicht mit minimierter Porenbildung aufweist und ein Verfahren vorzusehen, dass es ermöglicht ein derartiges Bauelement mit eine zuverlässigen Interconnect-Schicht mittels eines Sinterprozesses

herzustellen . Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Bauelement und ein

Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen

abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist vorgesehen, dass während des Sinterprozesses

zusätzlich zum Wärmeeintrag gleichzeitig Ultraschall auf das Bauelement einwirkt. Es wird ein Trägersubstrat bereitgestellt und auf das

Trägersubstrat eine Schicht Sintermaterial mit glatter oder strukturierter Oberfläche aufgebracht. Auf die

Sintermaterialschicht wird mindestens ein Bauelemente-Chip aufgebracht. Im eigentlichen Sintervorgang wird die Anordnung zusätzlich zum Erhitzen gleichzeitig Ultraschall ausgesetzt.

Dadurch kommt es zu einer Verdichtung der Sinterschicht ohne das Einwirken eines mechanischen Drucks, d.h. ohne dass mechanischer Druck auf die empfindliche Oberfläche des auf der Sinterschicht aufgebrachten Bauelemente-Chips einwirkt. Damit wird eine Beschädigung der empfindlichen Strukturen auf der Oberfläche des Bauelemente-Chips vermieden.

Um eine optimale Verdichtung als auch eine möglichst kompakte Sinterschicht zu erzielen werden veränderbare

Prozessparameter wie Temperatur oder Ultraschallparameter auf das verwendete Sintermaterial eingestellt. Dies bedeutet, dass Frequenz, Intensität und/oder Zeitdauer der

Ultraschallbestrahlung sowie Intensität und/oder Zeitdauer der Wärmeeinbringung auf die mittlere Partikelgröße bzw.

Materialzusammenstellung des verwendeten Sintermaterials abgestimmt werden.

Durch das angegebene Verfahren wird sowohl die Anzahl der im Sinterverfahren entstehenden Poren als auch die mittlere Größe der entstehenden Poren maßgeblich verringert. Die

Sinterschicht zeichnet sich somit durch eine verbesserte Stabilität, insbesondere hinsichtlich der Widerstandskraft gegenüber Oxidation und Korrosion, aus. Zudem ermöglicht die kompaktere Schicht einen effizienteren Wärmetransport, da die thermische Leitfähigkeit verbessert und der thermische

Widerstand durch die geringere Schichtdicke verringert wird. In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Verfahrens erfolgt der Sinterprozess unter Ausschluss von Sauerstoff. Dieser Vorgang erfolgt durch das Ausführen des Sinterprozesses in einer definierten Prozessumgebung, z.B. einer

Inertgasatmosphäre bei Normal- oder Überdruck. Auch die

Ausführung des Sinterprozesses in einer Vakuumumgebung ist möglich. Durch diese Maßnahme wird vorteilhaft die Stabilität gegenüber Oxidation und Korrosion erhöht.

Ein mittels dieses Verfahrens erzeugtes Bauelement weist somit ein Trägersubstrat und mindestens einen Bauelemente- Chip auf, welche mittels einer Interconnect-Schicht, die durch Sintern eines Sintermaterials erzeugt ist, verbunden sind. Durch das gleichzeitige Einwirken von Wärme und

Ultraschall während des Sinterprozesses ist die Sinterschicht verdichtet und dient somit als kompakte Interconnect-Schicht. Durch die Kompaktheit der Interconnect-Schicht ist sowohl eine verbesserte Wärmeableitung vom Bauelemente-Chip hin zum Substrat als auch eine verbesserte Stabilität der

Interconnect-Schicht hinsichtlich Oxidation und Korrosion gewährleistet .

Besonders vorteilhaft ist das beschriebene Verfahren, wenn der Bauelemente-Chip an einer Oberfläche ein aktives

Halbleiterbauelement mit einer gegenüber mechanischem Druck empfindlichen Struktur aufweist. Dies trifft beispielsweise auf ein Strahlungsemittierendes optisches

Halbleiterbauelement zu, da bei diesem für eine verlustarme Stromzufuhr eine verdichtete Sinterschicht erwünscht ist.

Aber auch bei der Verwendung eines Bauelemente-Chips mit einer aktiven und passiven Sensorstruktur sind die angegebenen Maßnahmen wegen der empfindlichen Struktur an der Oberfläche des Bauelemente-Chip vorteilhaft.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder

gleichartig wirkende Elemente angeben.

Es zeigen:

Fig la eine schematische Darstellung eines Bauelements mit empfindlicher Oberfläche, hergestellt gemäß eines

konventionellen Sinterverfahrens ;

Fig lb eine schematische Darstellung eines Bauelements mit empfindlicher Oberfläche, hergestellt gemäß eines

erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig 2a eine schematische Ablauf-Darstellung eines

konventionellen Sinterverfahrens ;

Fig 2b eine schematische Ablauf-Darstellung eines

erfindungsgemäßen Sinterverfahrens ;

Fig 3a eine schematische Darstellung einer zweckmäßigen

Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig 3b eine schematische Darstellung einer weiteren

zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig 4a eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Sinterschicht bei Herstellung gemäß eines

konventionellen Sinterverfahrens; und Fig 4b eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Sinterschicht bei Herstellung nach einem

erfindungsgemäßen Verfahren. Die Fig. la zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements, das durch ein konventionelles Herstellungsverfahren mittels Sintern erzeugt wurde. Das Bauelement besteht aus einem

Bauelemente-Chip 1, einer Interconnect-Schicht 2 und einem Substrat 3. Substrat 3 und Interconnect-Schicht 2 sowie

Interconnect-Schicht 2 und Bauelemente-Chip 1 sind jeweils miteinander verbunden. Die Interconnect-Schicht 2 ist dabei durch druckfreien Sintern einer Schicht aus Sintermaterial hergestellt . In der Fig. lb ist ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements gezeigt, welches durch ein verbessertes Verfahren hergestellt ist. Das Bauelement weist einen Bauelemente-Chip 1, eine Interconnect-Schicht 2 sowie ein Substrat 3 auf. Das Substrat 3 und die Interconnect-Schicht 2 sowie die Interconnect- Schicht 2 und der Bauelemente-Chip 1 sind wiederum jeweils miteinander haftend verbunden. Der Bauelemente-Chip 1 weist an der der Interconnect-Schicht 2 gegenüberliegenden Seite eine empfindliche Struktur la auf. Die Empfindlichkeit der Struktur ist durch die Funktion dieser Struktur gegeben.

Unter einer empfindlichen Struktur sind beispielsweise optische Bauelementestrukturen wie etwa LED-Strukturen oder Laserdioden-Strukturen zu verstehen. Empfindliche Strukturen können aber auch passive und aktive Sensor-Strukturen sein. Darüber hinaus können auch bestimmte Bonddraht-Strukturen und Oberflächenstrukturen, bei denen es auf die körperliche

Gestaltung der Oberfläche ankommt, empfindliche Strukturen darstellen . Gemäß Fig. lb ist die Interconnect-Schicht 2 durch ein verbessertes Verfahren aus einer Schicht aus Sintermaterial hergestellt. Durch das Zusammenwirken von Wärme und

Ultraschall im Sinterprozess weist das Bauelement eine

Interconnect-Schicht 2 auf, die im Vergleich zu der

herkömmlich erzeugten Interconnect-Schicht 2 des Bauelements, wie es in Fig. la dargestellt ist, deutlich kompakter ist, d.h. eine verminderte Dicke bzw. eine höhere Materialdichte aufweist.

In Fig. 2a ist ein konventionelles Herstellungsverfahren eines Bauelements mittels Sintern gezeigt. Dazu wird eine Anordnung bestehend aus Substrat 3, Sintermaterial 2 und Bauelemente-Chip 3 in einen Ofen 10 eingebracht. Durch eine mittels Wärmezufuhr 11 erzielte Temperaturerhöhung auf einen Wert unterhalb der Schmelztemperatur des Sintermaterials wird das Sintermaterial gesintert und die Interconnect-Schicht zwischen Substrat 3 und Bauelement-Chip 1 gebildet. Diese Interconnect-Schicht stellt die haftende und elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement-Chip 1 und dem

Trägersubstrat 3 dar.

Fig. 2b zeigt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauelements. Hierzu wird eine Anordnung aus Substrat 3, Sintermaterial 2 und Bauelemente-Chip 1 in einen Ofen 10 eingebracht. Durch das Zuführen von Wärme 11 erfolgt eine Temperaturerhöhung auf einen Wert unterhalb der

Schmelztemperaturen der einzelnen Materialkomponenten des Sintermaterials 2 und durch das Beaufschlagen der Anordnung, und insbesondere des Sintermaterials 2 mit Ultraschall 4 wird das Sintermaterial 2 gesintert und die Interconnect-Schicht zwischen Substrat 3 und Bauelement-Chip 1 gebildet. Zur einfacheren Darstellung ist in Fig. 2b an der Oberfläche des Bauelemente-Chip 1 keine empfindliche Struktur

dargestellt. Es ist aber vorgesehen, dass für den

Bauelemente-Chip 1 gleiches gilt wie unter Bezugnahme auf Fig. lb ausgeführt wurde.

Das in Fig. 3a gezeigte Verfahren ist eine zweckmäßige

Weiterbildung des unter Bezugnahme auf Fig. 2b beschriebenen Verfahrens. Das Verfahren weißt wiederum die gleichen

Verfahrenschritte auf, zusätzlich wird der Sintervorgang jedoch in einer Vakuumumgebung ausgeführt, welche durch eine Vakuumpumpe 5, die mit dem Ofen 10 über eine Verbindung 9 verbunden ist, erzeugt wird.

In Fig. 3b ist eine weitere zweckmäßige Weiterbildung des unter Bezugnahme auf Fig. 2b gezeigten Verfahrens. Das

Verfahren umfasst wiederum die gleichen Verfahrensschritte, zusätzlich wird der Sintervorgang jedoch in einer definierten Prozessumgebung ausgeführt, welche durch eine Einrichtung 6, die mit dem Ofen 10 über eine Verbindung 9 verbunden ist, erzeugt wird. Die Einrichtung 6 erlaubt es, im Ofen 10 eine gewünschte Atmosphäre herzustellen, z.B. einen bestimmten Atmosphärendruck oder eine bestimmte Zusammensetzung des Atmosphärengases. Eine Möglichkeit einer solch definierten Prozessumgebung stellt z.B. eine Stickstoff-Atmosphäre bei Normal- oder Überdruck dar. Durch den Sauerstoffabschluss im Ofen 10 werden bereits während des Sintervorgangs

Oxidationsprozesse wirksam unterbunden.

Es ist aber auch eine Kombination der unter Bezugnahme auf Fig. 3a und Fig. 3b beschriebenen Weiterbildungen möglich. Hierbei wird der Sinterprozess im Ofen 10 in einer Gas- Atmosphäre bei Unterdruck durchgeführt, bei der beispielsweise als Gas Stickstoff zugeführt wird.

Auch bei den unter Bezugnahme auf Fig. 3a und 3b

beschriebenen Ausführungsbeispiele ist zur einfacheren

Darstellung an der Oberfläche des Bauelemente-Chip 1 keine empfindliche Struktur dargestellt. Es ist aber vorgesehen, dass für den Bauelemente-Chip 1 gleiches gilt wie unter Bezugnahme auf Fig. lb ausgeführt wurde.

Die Fig. 4a zeigt einen Schnitt durch eine schematische Sinterschicht 2, welche nach einem bekannten Sinterverfahren hergestellt wurde. Charakteristisch sind die hohe Anzahl und die Größe der Poren 8 im gesinterten Material 7. Durch die große Zahl an Poren 8 und deren mittlere Ausdehnung ist die Sinterschicht 2 besonders anfällig für Korrosion und

Oxidation. Zudem verhindern die Poren 8 die Ausbildung einer kompakten Form der Sinterschicht und verursachen somit einen hohen thermischen Widerstand zwischen Bauelemente-Chip 1 und Substratträger 3.

Fig. 4b zeigt einen Schnitt durch eine schematische

Sinterschicht 2, die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt wurde. Im Vergleich zu Fig. 4a ist sowohl eine verminderte Zahl an Poren 8 als auch eine wesentlich

geringere mittlere Größe der einzelnen Poren 8 deutlich zu erkennen. Dies ermöglicht die Ausbildung einer besonders kompakten Sinterschicht 2, die sich im Vergleich zu

gewöhnlich erzeugten Sinterschichten 2 insbesondere durch eine vielfach geringere Anfälligkeit gegenüber Korrosion und Oxidation auszeichnet, und die durch die besondere

Kompaktheit einen geringeren thermischen Widerstand zwischen Bauelemente-Chip 1 und Trägersubstrat 3 darstellt. Darüber hinaus ist der Unterschied der nach dem Sinterprozess erzielten Dicke D(2) des Sintermaterials bei gleicher

Ausgangsdicke vor dem Sinterprozess auffällig. Es ist im Vergleich zwischen Fig. 4a und Fig. 4b leicht erkennbar, dass mit dem verbesserten Verfahren eine deutlich geringere Dicke D(2) des Sintermaterials 2 erzielt wird als bei dem bisher bekannten Sinterverfahren.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche

1. Bauelement zumindest aufweisend

- einen Bauelemente-Chip (1),

- eine Interconnect-Schicht (2), und

- ein Trägersubstrat (3) ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der mindestens eine Bauelemente-Chip (1) über eine

Interconnect-Schicht (2) mit dem Trägersubstrat (3) verbunden ist, wobei die Interconnect-Schicht (2) durch verdichtendes druckloses Sintern von auf dem Trägersubstrat (3)

aufgebrachtem Sintermaterial gebildet ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Interconnect-Schicht (2) durch gleichzeitiges Einwirken von Wärme (11) und Ultraschall (4) auf das Sintermaterial während des Sinterprozesses hergestellt ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Interconnect-Schicht (2) durch einen Sinterprozess in einer definierten Prozessumgebung hergestellt ist.

4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Interconnect-Schicht (2) durch einen Sinterprozess in einer Umgebung mit einem Druck, der vom Normaldruck

verschieden ist, hergestellt ist.

5. Bauelement nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Druck ein Überdruck oder ein Unterdruck ist.

6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Interconnect-Schicht (2) durch einen Sinterprozess in einer Umgebung mit einer Gas- Atmosphäre, insbesondere einer Stickstoff-Atmosphäre,

hergestellt ist.

7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Bauelemente-Chip (1) an der Oberfläche einer Seite, die der Interconnect-Schicht (2 ) abgewandt ist, eine empfindliche Struktur aufweist.

8. Bauelement nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

die empfindliche Struktur eine Halbleiterstruktur,

insbesondere eine LED-Struktur oder Laserdioden-Struktur ist.

9. Bauelement nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die empfindliche Struktur eine Drahtbond-Struktur oder eine Sensor-Struktur ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche

mit den Schritten:

Bereitstellen des Trägersubstrats

Aufbringen eines Sintermaterials auf das Trägersubstrat Anordnen des mindestens einen Bauelemente-Chips auf dem

Sintermaterial

- Durchführen eines Sinterprozesses,

wobei der Sinterprozess dichteerhöhend und mechanisch

drucklos ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei

das Sintern durch das gleichzeitige Einwirken von Wärme und Ultraschall auf das Sintermaterial erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei

der Sinterprozess in einer definierten Prozessumgebung geführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Sinterprozess in einer Vakuumumgebung oder einer

Überdruckumgebung geführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Sinterprozess unter Zuführen eines Gases, insbesondere

Stickstoff, geführt wird.