WO2014154637A1 - Verfahren zum verbinden von fügepartnern mittels isothermer erstarrungsreaktion zur bildung einer in-bi-ag-verbindungsschicht und entsprechende anordnung von fügepartnern - Google Patents

Verfahren zum verbinden von fügepartnern mittels isothermer erstarrungsreaktion zur bildung einer in-bi-ag-verbindungsschicht und entsprechende anordnung von fügepartnern Download PDF

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Definitions

  • the document DE 102005029246 describes a method for forming a solder joint between a carrier and a semiconductor chip.
  • An object to be solved is to provide a method for joining two joining partners, in which a
  • connection between the joining partners can be made at a relatively low temperature, wherein the compound thus prepared is particularly temperature-stable.
  • firstly a first joining partner and a second joining partner are provided.
  • the joining partners may be
  • S13N4 or A1N ceramic wafers or the like For example, with the
  • an optoelectronic semiconductor chip for example, a light-emitting diode chip, are mounted on a printed circuit board or a metallic lead frame.
  • a first layer sequence is applied to the first joining partner.
  • the first layer sequence comprises at least one layer which contains at least one metal or consists of a metal. The application of the first layer sequence to the first
  • Joining partner can, for example, by physical
  • Vapor deposition such as sputtering or vapor deposition
  • a second layer sequence is applied to the second joining partner
  • the application of the second layer sequence can be carried out by the same method as the application of the first layer sequence.
  • Layers can be identical. However, it is also possible for the first and the second layer sequence to differ from one another with regard to their structure, ie the sequence of the layers in the layer sequence and / or with regard to the materials used for the layers of the layer sequence. Furthermore, it is possible that the first and the second layer sequence with different
  • the first layer sequence and the second layer sequence are pressed together at their end faces facing away from the first joining partner and the second joining partner, using a joining pressure at a joining temperature for a predetermined joining time. That is to say, the first layer sequence is first brought into contact with its end face facing away from the first joining partner with the end face of the second layer sequence facing away from the second joining partner. Then, a compression of the two layer sequences takes place at the End faces using a joining pressure at a
  • the first layer sequence comprises at least one layer which contains silver or which consists of silver.
  • the first layer sequence then also consist of this silver layer.
  • the second layer sequence comprises at least one layer containing indium and bismuth, or the second layer sequence contains at least one layer containing indium and one layer containing bismuth. In other words, the second layer sequence contains at least indium and bismuth as metals.
  • the second layer sequence also contains no other metals.
  • the metals indium and bismuth can occur in the second layer sequence in a single common layer, for example as indium-bismuth alloy.
  • the second layer sequence contains at least one single layer consisting of indium and a single layer consisting of bismuth.
  • the first layer and / or the second layer are free of lead and / or tin.
  • the first layer and / or the second layer may be free of gold.
  • the joining temperature to which the first layer sequence and the second layer sequence are heated during the joining is at most 120 ° C.
  • the first layer sequence and the second layer sequence merge or fuse at this temperature to the connecting layer, which then contains silver, indium and bismuth and melts only at much higher temperatures from about 260 ° C.
  • the method comprises
  • the first layer sequence comprises at least one layer which contains silver or which consists of silver
  • the second layer sequence comprises at least one layer which contains indium and bismuth
  • the second layer sequence comprises at least one layer which contains indium and a layer which contains bismuth
  • the joining temperature is at most 120 ° C
  • the first layer sequence and the second layer sequence merge into a connecting layer, which borders directly on the first joining partner and the second joining partner.
  • Soft solder processes are based, for example, on Sn-Ag-Cu (SaC) material systems or on Sn-Pb material systems.
  • TLPS Transient Liquid Phase Sintering Pastes
  • Fluxes which are intended to ensure the reactivity of the non-noble component of Bi-Sn are embedded in the adhesive matrix.
  • the method described here is based inter alia on the idea of using an isothermal solidification process, which on the one hand melts at a lower temperature Component as it is Sn or AuSn uses, and on the other avoids the expensive precious metal gold.
  • the first and / or the second layer can thus be free of lead, tin and / or gold, which is normally present at
  • connection method find use. Furthermore, thin layers for producing the first and second
  • Layer sequence used whereby a particularly simple melting of the layer sequences can be done.
  • low-melting component is a mixture of
  • the low-melting component can consist of a bismuth-indium alloy or it can be generated in situ during the joining process from the reaction of pure bismuth layers and indium layers with each other.
  • the connecting layer has areas containing bismuth or consisting of bismuth, the areas being completely enclosed by a material containing indium and / or silver. It turned out that the
  • Bonding layer is particularly stable, in particular thermally stable, if after the joining process, the bismuth component of the bonding layer, in the small amounts of Indium and silver can be dissolved, no coherent, uninterrupted layer forms.
  • the bismuth component of the bonding layer in the small amounts of Indium and silver can be dissolved, no coherent, uninterrupted layer forms.
  • Melting temperature can be increased significantly compared to the joining temperature.
  • the melting temperature in ° C may be at least twice as high as the bonding temperature
  • the choice of the joining time can achieve that one in the first or second layer sequence
  • the bonding layer then no longer has a continuous bismuth layer, but is free of such a layer consisting of bismuth or the bonding layer is free of a simply continuous layer consisting of bismuth.
  • the bismuth layer can then be formed, for example, reticulated, that is, it has holes or openings, with the other metals of the
  • Layer sequence or the second layer sequence existing bismuth layer into individual grains, which are surrounded by the material of the other metals of the layer sequences, ie in particular indium and silver.
  • the bismuth grains ie the areas that contain bismuth or consist of bismuth, are in a matrix of intermetallic compounds of silver and indium or in a silver-indium alloy with silver grains in which indium is dissolved is a particularly favorable microstructure of the joining zone and thus the connecting layer.
  • the proportion of the cross-sectional area consisting of bismuth is at most 50%.
  • the cross-sectional area may extend, for example, through the entire connecting layer from the first joining partner to the second joining partner.
  • Cross-sectional area is then an arbitrary section through the connecting layer, which runs for example perpendicular to the main extension plane of the two joining partners.
  • this cross-sectional area preferably at most half of the area is bismuth with the remainder distributed on silver and indium and any other metals present on average.
  • the connecting layer preferably at most half of the area is bismuth with the remainder distributed on silver and indium and any other metals present on average.
  • connection layer is electrically conductive. That is, the
  • Bonding layer does not just provide a mechanical
  • connection between the two joining partners can be connected by the connecting layer and electrically conductive with each other.
  • an optoelectronic semiconductor chip can be mechanically fastened and electrically connected to a printed circuit board.
  • the electrically conductive connection can in particular be produced by the silver component in the connection layer, which connects the joining partners via paths which are not separated by a
  • the bonding layer is free of gold and free of flux.
  • the absence of gold in the bonding layer leads to a particularly cost-effective bonding layer, which can be produced at particularly low temperatures.
  • the low bonding temperature caused by the choice of a
  • Metal alloy is possible, reduces the thermo-mechanical stress in a composite of materials of different thermal expansion behavior and protects
  • the method to connect two joining partners, which consist of materials of different thermal expansion behavior.
  • the first joining partner may be at least one optoelectronic semiconductor chip, while the second joining partner may be a plastic-encased
  • Joining partners include a metal, a ceramic or a plastic, while the second joining partner is formed with at least one other metal, at least one other ceramic or at least one other plastic, wherein the at least one metal, the at least one ceramic or the at least one plastic of the second Joining partner has a different thermal expansion coefficient than the metal, the ceramic or the plastic of the first
  • the metals mentioned in the first and in the second layer sequence can be applied very pure, can the use of flux is waived. As a result, the connecting layer is free of flux. But also a low thermal conductivity of a metal-polymer hybrid is avoided. Furthermore, the absence of flux, the risk of corrosion of trapped
  • the compound layer is also particularly well suited for dissipating heat loss. It turns out to be
  • the connecting layer is free of a continuous layer of bismuth, since bismuth of the said metals has the lowest thermal conductivity.
  • the proportion of silver in the connecting layer is as high as possible and the proportion of bismuth is chosen as small as possible.
  • the proportion of silver as high as possible and to choose the proportion of bismuth as low as possible.
  • the first layer sequence and / or the second layer sequence comprises a layer or a sequence of directly adjoining layers, wherein the layer or the sequence of layers contains only indium and bismuth, wherein the
  • Mole fraction of indium is at least 67 at% and at most 85 at%. Optimally, the mole fraction of indium is 78.5 at%. With such an indium content in the range of
  • the first layer sequence and / or the second layer sequence comprises at least one layer consisting of indium and at least one layer consisting of bismuth, wherein the layer of indium and the layer of bismuth adjoin one another directly. That is, in this case, the low-melting lies
  • Component of bismuth and indium is not present in an alloy, but the low-melting component is during the joining process from the reaction of the immediate
  • the second layer sequence consists of a layer which is provided with a Bismuth-indium alloy is formed.
  • the low-melting component is thus carried out directly as an alloy and not in individual separate bismuth layers and indium layers on top of each other
  • the first layer sequence and / or the second layer sequence comprises a layer which consists of titanium and which directly adjoins a layer of indium or a layer of bismuth, wherein the layer of titanium is intended to mix Delaying silver with indium and / or bismuth.
  • a portion of the layer sequence containing indium and bismuth may pass through the titanium layer during the process
  • the titanium layer breaks open, for example, and allows penetration of silver in the area with indium and bismuth and thus the isothermal solidification to form the bonding layer.
  • the first layer sequence and / or the second layer sequence comprises a sequence of layers of indium and layers
  • Bismuth the sequence being covered at their faces by a layer of titanium. That is, a region in the layer sequences formed with indium and bismuth may exist through titanium layers at both ends
  • At least half of the layers are of titanium or each
  • Layer of titanium which is used in the layer sequences, while a thickness of at most 10 nm. That is, to protect the layers of indium and bismuth, extremely thin titanium layers are sufficient.
  • At least half of the layers of indium or each layer of indium is thicker than at least half of the indium
  • Layers of bismuth or each layer of bismuth in the layer sequences wherein at least half of the layers of indium or each layer of indium has a thickness of at least 150 nm and at most 850 nm, and
  • each layer of bismuth has a thickness of at least 50 nm and at most 300 nm.
  • Layers of indium and bismuth can then be adjusted to the indium content in the indium-bismuth system, with an optimal indium content between 67 at% and 85 at% being aimed at as described above.
  • At least some layers, in particular all layers, of the first and the second layer sequence are produced by means of at least one of the following deposition techniques: physical vapor deposition such as sputtering or vapor deposition. With these techniques, especially thin layers can be used for
  • the arrangement comprises a first joining partner and a second joining partner, and a connecting layer which directly adjoins the first joining partner and the second joining partner, wherein the connecting layer comprises regions, the bismuth
  • FIGS 4, 5 show embodiments of methods described herein.
  • FIG. 6 shows an arrangement of joining partners produced by means of the method described here
  • a first joining partner 1 is shown, which may be, for example, a light-emitting diode chip.
  • the first joining partner 1 is connected to the second joining partner 2, which may be, for example, a copper conductor frame encased in plastic.
  • the first layer sequence 10 is applied, which in this case consists of a
  • the silver layer 11 exists.
  • the silver layer 11 has
  • a thickness of 1825 nm for example, a thickness of 1825 nm.
  • a second layer sequence 20 is applied, which in the present case comprises a 270 nm thick bismuth layer 22, a 730 nm thick indium layer 23 and a 135 nm thick silver layer 25.
  • the first layer sequence 10 and the second layer sequence 20 are pressed together at their first joining partner 1 and the second joining partner 2 respectively facing end faces under the pressure p, wherein the assembly is compressed at a bonding temperature of 100 ° C for 0.5 s.
  • Silver layers 11, 25 form a sufficient protection against oxidation and especially in sulfur-free atmosphere
  • FIG. 2 An exemplary embodiment is described in connection with FIG. 2, in which the first layer sequence 10 having a 2560 nm thick silver layer 11, a 161 nm thick bismuth layer 12, an 804 nm thick indium layer 13, a 147 nm thick bismuth layer 14 and a 74 nm thick silver layer 15 is sputtered on.
  • the second layer sequence 20 is applied with the same sequence of layers as follows: a 2560 nm thick silver layer 21, a 161 nm thick
  • Bismuth layer 22 an 804 nm thick indium layer 23, a 147 nm thick bismuth layer 24 and a 74 nm thick
  • the joining partners 1, 2 After the end-side merging of the layer sequences, the joining partners 1, 2 for a joining time of about 5 minutes at a bonding temperature of 85 ° C and a
  • Joining partners 1, 2 are, for example, a ceramic board and a metal core board.
  • the second layer sequence 20 on the second joining partner 2 comprises a 428 nm thick indium layer 23, a 72 nm thick bismuth layer 24 and a 190 nm thick silver layer 25, each by vapor deposition be applied.
  • a joining temperature of 115 ° C and a joining pressure of 10 bar the two joining partners 1, 2 are pressed together for 120 minutes and in this way
  • the indium bismuth layer 29 consists of an indium-bismuth alloy with 33.3 mass percent bismuth deposited by sputtering or plasma spraying and having a thickness of 775 nm.
  • Bonding temperature of 95 ° C over a joining time of 30 minutes.
  • FIG. 5 An exemplary embodiment is described in conjunction with FIG. 5, in which a silver layer 11 with a thickness of at least 160 nm and at most 1500 nm, for example 1350 nm, is applied to the first joining partner as the first layer sequence 10.
  • On the second joining partner 2 is a layer stack of five pairs of 187 nm thick indium layer 23 and 63 nm thicker over a 1000 nm thick silver layer 21
  • the bismuth layer 24 is vapor-deposited, which is covered by an 8 nm-thick titanium layer 26 separated by a 260 nm-thick silver layer 25.
  • the titanium layer 26 protects against premature mixing of bismuth or indium on the one hand and silver on the other.
  • Titanium layer can also be introduced between the silver layer 21 and the layer stack of indium and bismuth. Furthermore, it is possible to introduce such a titanium layer also between each pair of indium and bismuth layers, if mixing is to be delayed for a particularly long time.
  • the bonding layer 30 shown to an arrangement of joining partners described here, which is produced by a method described herein.
  • the bonding layer 30 comprises regions 32 containing bismuth or consisting of bismuth. For example, the areas 32 are around
  • Bismuth grains in which small amounts of silver and / or indium may be dissolved.
  • the bismuth regions 32 are
  • the area fraction of the areas of bismuth in the cross section shown here is preferably at most 15%.

Landscapes

  • Die Bonding (AREA)
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  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern (1, 2), beispielsweise von einen optoelektronischen Halbleiterchip (z.B. einen Leuchtdiodenchip) und einer Leiterplatte oder einem metallischen Leiterrahmen mit den folgenden Schritten angegeben: Bereitstellen eines ersten Fügepartners (1) und eines zweiten Fügepartners (2), Aufbringen einer ersten Schichtenfolge (10) auf den ersten Fügepartner (1), die zumindest eine Schicht (11, 15) umfasst, die Silber enthält oder aus Silber besteht, Aufbringen einer zweiten Schichtenfolge (20) auf den zweiten Fügepartner (2), die zumindest eine Schicht (29) umfasst, die Indium und Wismut enthält, oder eine Schicht (23), die Indium enthält und eine Schicht (22, 24), die Wismut enthält, Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge (10) und der zweiten Schichtenfolge (20) an ihren dem ersten Fügepartner (1) und dem zweiten Fügepartner (2) jeweils abgewandten Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks (p) bei einer Fügetemperatur, die höchstens 120 °C beträgt, für eine vorgegebene Fügezeit, wobei die erste Schichtenfolge (10) und die zweite Schichtenfolge (20) zu einer Verbindungsschicht (30) verschmelzen, die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt und derer Aufschmelztemperatur wenigstens 260 °C beträgt.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUM VERBINDEN VON FÜGEPARTNERN M ITTELS ISOTHERMER ERSTARRUNGSREAKTION ZUR BILDUNG EINER IN-BI-AG-VERBINDUNGSSCHICHT
UND ENTSPRECHENDE ANORDNUNG VON FÜGEPARTNERN
Es wird ein Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern
angegeben. Weiter wird eine Anordnung von Fügepartnern angegeben . Die Druckschrift DE 102005029246 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen einem Träger und einem Halbleiterchip.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Verbinden zweier Fügepartner anzugeben, bei dem eine
Verbindung zwischen den Fügepartnern bei einer relativ geringen Temperatur hergestellt werden kann, wobei die derart hergestellte Verbindung besonders temperaturstabil ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden zunächst ein erster Fügepartner und ein zweiter Fügepartner bereitgestellt. Bei den Fügepartnern kann es sich
beispielsweise um zumindest eines der folgenden Elemente handeln: Optoelektronischer Halbleiterchip, Wafer
optoelektronischer Halbleiterchips, metallischer
Leiterrahmen, mit Kunststoff ummantelter metallischer
Leiterrahmen, Keramikträger, Leiterplatte (Platine) ,
Halbleiterwafer aus GaAs, Ge oder Si, Keramikwafer aus S13N4 oder A1N oder ähnliches. Beispielsweise kann mit dem
Verfahren ein optoelektronischer Halbleiterchip, zum Beispiel ein Leuchtdiodenchip, auf einer Leiterplatte oder einem metallischen Leiterrahmen befestigt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf den ersten Fügepartner eine erste Schichtenfolge aufgebracht. Die erste Schichtenfolge umfasst zumindest eine Schicht, die zumindest ein Metall enthält oder aus einem Metall besteht. Das Aufbringen der ersten Schichtenfolge auf den ersten
Fügepartner kann beispielsweise durch physikalische
Dampfphasenabscheidung wie Sputtern oder Aufdampfen,
galvanisch oder durch stromloses Abscheiden erfolgen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf den zweiten Fügepartner eine zweite Schichtenfolge
aufgebracht. Das Aufbringen der zweiten Schichtenfolge kann mit dem gleichen Verfahren wie das Aufbringen der ersten Schichtenfolge erfolgen. Die erste und die zweite
Schichtenfolge können identisch sein. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die erste und die zweite Schichtenfolge hinsichtlich ihres Aufbaus, also der Abfolge der Schichten in der Schichtenabfolge und/oder hinsichtlich der verwendeten Materialien für die Schichten der Schichtenfolge voneinander unterscheiden. Ferner ist es möglich, dass die erste und die zweite Schichtenfolge mit unterschiedlichen
Abscheideverfahren erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge und der zweiten Schichtenfolge an ihren dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner jeweils abgewandten Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Fügezeit. Das heißt, die erste Schichtenfolge wird mit ihrer dem ersten Fügepartner abgewandten Stirnfläche mit der dem zweiten Fügepartner abgewandten Stirnfläche der zweiten Schichtenfolge zunächst in Kontakt gebracht. Dann erfolgt ein Zusammenpressen der beiden Schichtenfolgen an den Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks bei einer
Fügetemperatur für eine vorgegebene Zeitspanne, die Fügezeit. Dabei werden die erste Schichtenfolge und die zweite
Schichtenfolge zumindest zum Teil oder vollständig
aufgeschmolzen und die Materialien der beiden Schichtenfolgen vermischen sich miteinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens
verschmelzen die erste Schichtenfolge und die zweite
Schichtenfolge zu einer Verbindungsschicht, die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt. Das heißt, nach der Fügezeit sind die Schichtenfolgen zur
Verbindungsschicht zusammengefügt, die sich dann zwischen den beiden Fügepartnern befindet und die eine mechanische
Verbindung zwischen den Fügepartnern vermittelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge zumindest eine Schicht, die Silber enthält oder die aus Silber besteht. Beispielsweise kann die erste Schichtenfolge dann auch aus dieser Silberschicht bestehen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht, die Indium und Wismut enthält oder die zweite Schichtenfolge enthält zumindest eine Schicht, die Indium enthält und eine Schicht, die Wismut enthält. Mit anderen Worten enthält die zweite Schichtenfolge zumindest Indium und Wismut als Metalle.
Beispielsweise ist es möglich, dass die zweite Schichtenfolge darüber hinaus keine anderen Metalle enthält. Die Metalle Indium und Wismut können in der zweiten Schichtenfolge in einer einzigen gemeinsamen Schicht, zum Beispiel als Indium- Wismut-Legierung, vorkommen. Ferner ist es möglich, dass die zweite Schichtenfolge wenigstens eine Einzelschicht enthält, die aus Indium besteht und eine Einzelschicht, die aus Wismut besteht. Es ist ferner möglich, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht frei von Blei und/oder Zinn sind. Ferner können die erste Schicht und/oder die zweite Schicht frei von Gold sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Fügetemperatur, auf die die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge während des Fügens erhitzt werden, höchstens 120 °C. Die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge verschmelzen oder verbinden sich bei dieser Temperatur zur Verbindungsschicht, die dann Silber, Indium und Wismut enthält und erst bei viel höheren Temperaturen ab zirka 260 °C wieder aufschmilzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden von Fügepartnern umfasst das Verfahren die
folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines ersten Fügepartners und eines zweiten Fügepartners ,
- Aufbringen einer ersten Schichtenfolge auf den ersten
Fügepartner,
- Aufbringen einer zweiten Schichtenfolge auf den zweiten Fügepartner,
- Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge und der zweiten Schichtenfolge an ihren dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner jeweils abgewandten Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Fügezeit, wobei
- die erste Schichtenfolge zumindest eine Schicht umfasst, die Silber enthält oder die aus Silber besteht, - die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht umfasst, die Indium und Wismut enthält, oder die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht umfasst, die Indium enthält, und eine Schicht, die Wismut enthält,
- die Fügetemperatur höchstens 120 °C beträgt, und
- die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge zu einer Verbindungsschicht verschmelzen, die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt. Das hier beschriebene Verfahren zum Verbinden von
Fügepartnern macht unter anderem von den folgenden
Überlegungen Gebrauch:
Zum Verbinden von Fügepartnern, beispielsweise zur
Kombination von Halbleiterbauelementen mit Gehäusen oder
Platinen oder bei der Montage von gehäusten elektronischen Bauelementen auf Platinen können Weichlote und das Weichlöten als Verbindungsverfahren Verwendung finden. Um die thermische Belastung für die Fügepartner gering zu halten, sind dabei niedrige Fügetemperaturen angestrebt. Die bekannten
Weichlotverfahren basieren dabei beispielsweise auf Sn-Ag-Cu ( SaC) -Materialsystemen oder auf Sn-Pb-Materialsystemen.
Bei diesem Weichlotverfahren erstarrt das flüssige Lot beim Abkühlen unterhalb seines Schmelzpunkts. Wenn die Verbindung wieder auf die Temperatur des Schmelzpunktes erwärmt wird, verliert sie ihre Festigkeit. Mehrere Integrationsschritte hintereinander, etwa die Montage eines Halbleiterchips auf eine Keramikplatine und das nachfolgende Auflöten der Keramik auf eine Metallkernplatine können deshalb nicht mit den gleichen Lotsystemen bewerkstelligt werden, ohne die
Integrität der zuerst hergestellten Lotverbindung zu
gefährden . Dieses Problem könnte überwunden werden, wenn verschiedene Lotsysteme mit abgestuften Schmelzpunkten zum Einsatz kommen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle der üblichen eutektischen Erstarrung beim Abkühlen eine isotherme
Erstarrungsreaktion zu nutzen. Hierbei bildet sich bei konstant gehaltener Fügetemperatur durch Reaktion der
Metallschmelze mit einer höher schmelzenden Metallkomponente eine dauerhaft feste Verbindung, deren Schmelzpunkt weit oberhalb der Fügetemperatur liegen kann. Um Verbindungen mit den oben genannten SAC-Legierungen als Verbindungsmittel bei einem nachfolgenden Fügeschritt nicht zu schädigen, können beispielsweise Hybride aus Lot und Klebstoff eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür sind TLPS-Pasten (Transient Liquid Phase Sintering Pastes) , die eine bei geringeren Temperaturen schmelzende Bi-SN-Legierung mit Kupfer isotherm erstarren lassen, um ohne eine vorher hergestellte SAC-Verbindung zu gefährden und ohne eine nachfolgende SAC-Verbindung
auszuschließen, die Fügepartner zu verbinden. Flussmittel, welche die Reaktivität der unedlen Komponente aus Bi-Sn sicherstellen sollen, sind in die Klebematrix eingebettet.
Eine weitere Alternative stellt das isotherme Erstarren mit Au-Sn als Verbindungsmittel dar, was jedoch einerseits wegen des dazu notwendigen hohen Goldanteils teuer ist und wegen der relativ hohen Schmelzpunkte von Zinn beziehungsweise einer eutektischen Au-Sn-Legierung höhere Prozesstemperaturen erforderlich macht als dies für viele Fügepartner vertretbar ist .
Dem hier beschriebenen Verfahren liegt nun unter anderem die Idee zugrunde, einen isothermen Erstarrungsprozess zu nutzen, der zum einen eine bei geringerer Temperatur schmelzende Komponente als es Sn oder AuSn sind, nutzt und der zum anderen das teure Edelmetall Gold vermeidet. Die erste und/oder die zweite Schicht können somit frei von Blei, Zinn und/oder Gold sein, die normalerweise bei
Verbindungsverfahren Verwendung finden. Ferner werden dünne Schichten zur Herstellung der ersten und zweiten
Schichtenfolge genutzt, wodurch ein besonders einfaches Aufschmelzen der Schichtenfolgen erfolgen kann. Als niedrig schmelzende Komponente wird eine Mischung aus
Wismut und Indium genutzt. Im System Wismut-Indium kann eine Schmelze bereits deutlich unterhalb von 100 °C gebildet werden. Durch die Zugabe von Silber kann die
Schmelztemperatur dann massiv angehoben werden. Eine
isotherme Erstarrungsreaktion von Wismut-Indium mit Silber führt bereits bei 100 °C zur Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen Silber und Indium. Damit verarmt Wismut-Indium an Indium und die Schmelztemperatur der
Verbindung steigt auf zirka 260 °C, wobei die
intermetallischen Silber-Indium-Verbindungen fest bleiben. Die niedrig schmelzende Komponente kann dabei aus einer Wismut-Indium-Legierung bestehen oder sie kann in situ beim Fügeprozess aus der Reaktion reiner Wismutschichten und Indiumschichten miteinander erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Verbindungsschicht Bereiche auf, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche vollständig von einem Material umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält. Dabei hat sich herausgestellt, dass die
Verbindungsschicht besonders stabil ist, insbesondere thermisch stabil ist, wenn nach dem Fügeprozess die Wismut- Komponente der Verbindungsschicht, in der geringe Mengen an Indium und Silber gelöst sein können, keine zusammenhängende, unterbrechungsfreie Schicht bildet. Insbesondere kann durch das Einbringen von Silber in die Verbindungsschicht die
AufSchmelztemperatur im Vergleich zur Fügetemperatur deutlich erhöht werden. Beispielsweise kann die AufSchmelztemperatur in °C wenigstens doppelt so hoch sein wie die Fügetemperatur
Insbesondere über die Wahl der Fügezeit kann erreicht werden, dass eine in der ersten oder zweiten Schichtenfolge
vorhandene durchgehende Wismutschicht Unterbrechungen
bekommt. Die Verbindungsschicht weist dann keine durchgehende Wismutschicht mehr auf, sondern ist frei von einer solchen Schicht, die aus Wismut besteht oder die Verbindungsschicht ist frei von einer einfach zusammenhängenden Schicht, die aus Wismut besteht. Die Wismutschicht kann dann beispielsweise netzartig ausgebildet sein, das heißt sie weist Löcher oder Durchbrüche auf, die mit den anderen Metallen der
Schichtenfolgen gefüllt sind. Mit längeren Fügezeiten ist es möglich, dass die vor dem Fügen eventuell in der ersten
Schichtenfolge oder der zweiten Schichtenfolge vorhandene Wismutschicht in einzelne Körner zerfällt, die vom Material der anderen Metalle der Schichtenfolgen, also insbesondere Indium und Silber, umgeben sind.
Diese Strukturbeeinflussung kann dabei durch den Fügeprozess oder ergänzend durch einen nachfolgenden Temperschritt, bei dem die Verbindungsschicht nochmals erhitzt wird, bewirkt werden. Aus thermischer und mechanischer Sicht stellen die Wismutkörner, also die Bereiche, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, in einer Matrix aus intermetallischen Verbindungen von Silber und Indium oder in einer Silber- Indium-Legierung mit Silberkörner, in denen Indium gelöst ist, eine besonders günstige Mikrostruktur der Fügezone und damit der Verbindungsschicht dar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt in einer Querschnittsfläche der Verbindungsschicht der Anteil der Querschnittsfläche, der aus Wismut besteht, höchstens 50 %. Die Querschnittsfläche kann sich dabei beispielsweise durch die gesamte Verbindungsschicht hindurch vom ersten Fügepartner zum zweiten Fügepartner erstrecken. Bei der
Querschnittsfläche handelt es sich dann um einen beliebigen Schnitt durch die Verbindungsschicht, der beispielsweise senkrecht zur Haupterstreckungsebene der beiden Fügepartner verläuft. In dieser Querschnittsfläche besteht vorzugsweise im Durchschnitt höchstens die Hälfte der Fläche aus Wismut mit dem Rest verteilt auf Silber und Indium und etwaige weitere vorhandene Metalle. Vorzugsweise beträgt der
Flächenanteil von Wismut dabei höchstens 30 %, besonders bevorzugt höchstens 15 %. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Verbindungsschicht elektrisch leitend. Das heißt, die
Verbindungsschicht stellt nicht nur eine mechanische
Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern dar, sondern die beiden Fügepartner können durch die Verbindungsschicht auch elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Auf diese Weise kann über die Verbindungsschicht beispielsweise ein optoelektronischer Halbleiterchip auf einer Leiterplatte mechanisch befestigt und elektrisch angeschlossen sein. Die elektrisch leitende Verbindung kann insbesondere durch den Silber-Anteil in der Verbindungsschicht hergestellt sein, der die Fügepartner über Pfade, die nicht durch eine
zusammenhängende Wismutschicht unterbrochen sind, miteinander verbindet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Verbindungsschicht frei von Gold und frei von Flussmitteln. Der Verzicht auf Gold in der Verbindungsschicht führt zu einer besonders kostengünstigen Verbindungsschicht, die bei besonders niedrigen Temperaturen erzeugt werden kann. Die geringe Fügetemperatur, die durch die Wahl einer bei
besonders geringen Temperaturen bereits flüssigen
Metalllegierung möglich ist, vermindert die thermomechanische Belastung in einem Verbund aus Materialien unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens und schont
temperaturempfindliche Stoffe, beispielsweise Kunststoffe auf kunststoffumspritzten Leiterrahmen. Insbesondere ist es durch das Verfahren möglich, zwei Fügepartner, die aus Materialien unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens bestehen, zu verbinden. Beispielsweise kann der erste Fügepartner zumindest ein optoelektronisches Halbleiterchip sein, während der zweite Fügepartner ein mit Kunststoff ummantelter
metallischer Leiterrahmen ist. Generell kann der erste
Fügepartner ein Metall, eine Keramik oder einen Kunststoff beinhalten, während der zweite Fügepartner mit zumindest einem anderen Metall, zumindest einer anderen Keramik oder zumindest einem anderen Kunststoff gebildet ist, wobei das zumindest eine Metall, die zumindest eine Keramik oder der zumindest eine Kunststoff des zweiten Fügepartners einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Metall, die Keramik oder der Kunststoff des ersten
Fügepartners. Die geringen Kosten der hochschmelzenden
Komponente ermöglichen es, das Verfahren auch bei
kostenkritischen Produkten einzusetzen.
Da die genannten Metalle in der ersten und in der zweiten Schichtenfolge sehr rein aufgebracht werden können, kann auf die Verwendung von Flussmitteln verzichtet werden. Dadurch ist die Verbindungsschicht frei von Flussmitteln. Damit wird aber auch eine geringe thermische Leitfähigkeit eines Metall- Polymer-Hybrids vermieden. Ferner sind durch den Verzicht auf Flussmittel die Korrosionsrisiken von eingeschlossenen
Flussmittelrückständen beziehungsweise die Probleme beim nachträglichen Entfernen der Flussmittelreste und
Flussmittelrückstände sowie die damit verbundenen Kosten vermieden .
Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Indium und Silber ist die Verbindungsschicht ferner besonders gut zum Abführen von Verlustwärme geeignet. Dabei erweist es sich als
vorteilhaft, dass die Verbindungsschicht frei von einer durchgehenden Schicht aus Wismut ist, da Wismut von den genannten Metallen die geringste thermische Leitfähigkeit aufweist. Für eine möglichst gute Entwärmung wird daher der Anteil von Silber in der Verbindungsschicht möglichst hoch und der Anteil von Wismut möglichst gering gewählt. Auch für eine möglichst gute Beständigkeit der Verbindungsschicht bei Temperaturen oberhalb von 260 °C ist der Anteil an Silber möglichst hoch und der Anteil an Wismut möglichst gering zu wählen . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge eine Schicht oder eine Abfolge direkt aneinandergrenzender Schichten, wobei die Schicht oder die Abfolge von Schichten ausschließlich Indium und Wismut enthalten, wobei der
Stoffmengenanteil von Indium wenigstens 67 at% und höchstens 85 at% beträgt. Optimalerweise beträgt der Stoffmengenanteil von Indium 78,5 at%. Mit einem solchen Indiumanteil im Bereich der
Schichtenfolgen, die aus Indium und Wismut bestehen, kann eine Schmelze dieser Bereiche bereits deutlich unter 100 °C gebildet werden. Eine solche Schmelze bildet sich dann bereits bei einer Temperatur von zirka 73 °C. Durch die
Zugabe von Silber aus umliegenden Schichten einer
Schichtenfolge oder aus der ersten Schichtenfolge, wenn die Indium-Wismut-Schmelze beispielsweise in der zweiten
Schichtenfolge erzeugt wird, kann die Schmelztemperatur dann stark angehoben werden. Eine isotherme Erstarrungsreaktion von Wismut-Indium mit Silber führt bereits bei 100 °C zur Bildung der intermetallischen Verbindungen zwischen Silber und Indium, die zur hohen Temperaturbeständigkeit der
Verbindungsschicht führt. Für ein möglichst gutes
Schmelzverhalten des Anteils der Schichtenfolgen, der aus
Wismut und Indium besteht, ist ein Verhältnis von Wismut zu Indium in diesen Bereichen der Schichtenfolgen von zirka 0,27 optimal . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge zumindest eine Schicht, die aus Indium besteht und zumindest eine Schicht, die aus Wismut besteht, wobei die Schicht aus Indium und die Schicht aus Wismut direkt aneinandergrenzen . Das heißt, in diesem Fall liegt die niedrigschmelzende
Komponente aus Wismut und Indium nicht in einer Legierung vor, sondern die niedrigschmelzende Komponente wird während des Fügeprozesses aus der Reaktion der unmittelbar
aneinandergrenzenden Wismut-Schichten und Indium-Schichten miteinander erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens besteht die zweite Schichtenfolge aus einer Schicht, die mit einer Wismut-Indium-Legierung gebildet ist. In diesem Fall wird die niedrigschmelzende Komponente also direkt als Legierung ausgeführt und nicht in einzelnen voneinander getrennten Wismut-Schichten und Indium-Schichten übereinander
abgeschieden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge eine Schicht, die aus Titan besteht und die direkt an eine Schicht aus Indium oder eine Schicht aus Wismut grenzt, wobei die Schicht aus Titan dazu vorgesehen ist, ein Vermischen von Silber mit Indium und/oder Wismut zu verzögern.
Beispielsweise kann ein Teil der Schichtenfolge, der Indium und Wismut enthält, durch die Titanschicht während des
Aufschmelzens zunächst vom umgebenden Silber freigehalten werden. Erst wenn in der Schichtenfolge eine bestimmte
Temperatur erreicht ist, bei der die Einzelschichten aus Indium und Wismut zur niederschmelzenden Komponente reagiert haben, reißt die Schicht aus Titan zum Beispiel auf und erlaubt ein Eindringen von Silber in den Bereich mit Indium und Wismut und damit das isotherme Erstarren zur Bildung der Verbindungsschicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schichtenfolge und/oder die zweite Schichtenfolge eine Abfolge von Schichten aus Indium und Schichten aus
Wismut, wobei die Abfolge an ihren Stirnflächen jeweils von einer Schicht aus Titan bedeckt ist. Das heißt, ein Bereich in den Schichtenfolgen, der mit Indium und Wismut gebildet ist, kann durch Titanschichten an beiden Enden vor
angrenzendem Silber geschützt sein. Auf diese Weise ist es besonders effizient möglich, das Eindringen von Silber so lange hinauszuzögern, bis die Indium- und Wismut-Schichten ausreichend zur niederschmelzenden Komponente vermischt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist wenigstens die Hälfte der Schichten aus Titan oder jede
Schicht aus Titan, die in den Schichtenfolgen zum Einsatz kommt, dabei eine Dicke von höchstens 10 nm auf. Das heißt, zum Schutz der Schichten aus Indium und Wismut sind extrem dünne Titanschichten ausreichend.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht aus Indium dicker als wenigstens die Hälfte der
Schichten aus Wismut oder jede Schicht aus Wismut in den Schichtenfolgen, wobei wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht aus Indium eine Dicke von wenigstens 150 nm und höchstens 850 nm aufweist und
wenigstens die Hälfte der Schichten aus Wismut oder jede Schicht aus Wismut eine Dicke von wenigstens 50 nm und höchstens 300 nm aufweist. Über die Schichtdicken der
Schichten aus Indium und Wismut kann dann der Indiumanteil im System Indium-Wismut eingestellt werden, wobei wie oben beschrieben ein optimaler Indiumanteil zwischen 67 at% und 85 at% angestrebt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind zumindest manche Schichten, insbesondere alle Schichten, der ersten und der zweiten Schichtenfolge mittels wenigstens einer der folgenden Abscheidetechniken erzeugt: physikalische Dampfphasenabscheidung wie Sputtern oder Aufdampfen. Mit diesen Techniken können besonders dünne Schichten zur
Herstellung der Schichtenfolgen genutzt werden. Durch die Verwendung der genannten Abscheidetechniken kann eine Oxidation der unedlen Elemente effektiv unterbunden werden und es können besonders reine Schichten aus Indium und Wismut erzeugt werden. Ferner wird eine Anordnung von Fügepartnern angegeben. Die Anordnung kann dabei mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Das heißt sämtliche für das Verfahren beschriebene Merkmale sind auch für die Anordnung offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anordnung umfasst die Anordnung einen ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner, und eine Verbindungsschicht, die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt, wobei die Verbindungsschicht Bereiche aufweist, die Wismut
enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche vollständig von einem Material umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält. Im Folgenden werden das hier beschriebene Verfahren sowie die hier beschriebene Anordnung anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren näher erläutert.
Die schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 1, 2, 3,
4, 5 zeigen Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Verfahren.
Die schematische Schnittdarstellung der Figur 6 zeigt eine mittels des hier beschriebenen Verfahrens hergestellte Anordnung von Fügepartnern mit einer
Verbindungsschicht . Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren
dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere
Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
In der schematischen Schnittdarstellung der Figur 1 ist ein erster Fügepartner 1 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip handeln kann. Mittels dem hier beschriebenen Verfahren wird der erste Fügepartner 1 mit dem zweiten Fügepartner 2, bei dem es sich beispielsweise um einen mit Kunststoff ummantelten Kupferleiterrahmen handeln kann, verbunden. Auf den ersten Fügepartner 1 ist die erste Schichtenfolge 10 aufgebracht, die vorliegend aus einer
Silberschicht 11 besteht. Die Silberschicht 11 weist
beispielsweise eine Dicke von 1825 nm auf. Auf dem zweiten Fügepartner 2 ist eine zweite Schichtenfolge 20 aufgebracht, die vorliegend eine 270 nm dicke Wismut- Schicht 22, eine 730 nm dicke Indium-Schicht 23 und eine 135 nm dicke Silberschicht 25 umfasst. Die erste Schichtenfolge 10 und die zweite Schichtenfolge 20 werden an ihren dem ersten Fügepartner 1 und dem zweiten Fügepartner 2 jeweils abgewandten Stirnflächen unter dem Druck p zusammengepresst , wobei die Anordnung bei einer Fügetemperatur von 100 °C für 0,5 s zusammengedrückt wird. Die einander zugewandten
Silberschichten 11, 25 bilden insbesondere bei schwefelfreier Atmosphäre einen ausreichenden Schutz vor Oxidation und
Anlaufen der Fügefläche, an der die beiden Schichtenfolgen miteinander verbunden werden. Nach Ablauf der Fügezeit hat sich aus der vorübergehend gebildeten Wismut-Indium-Schmelze festes Silber-Indium und Wismut gebildet.
In Verbindung mit der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf den ersten Fügepartner 1 die erste Schichtenfolge 10 mit einer 2560 nm dicken Silberschicht 11, einer 161 nm dicken Wismut-Schicht 12, einer 804 nm dicken Indium-Schicht 13, einer 147 nm dicken Wismut-Schicht 14 und einer 74 nm dicken Silberschicht 15 aufgesputtert ist. Auf den zweiten Fügepartner 2 ist die zweite Schichtenfolge 20 mit der gleichen Abfolge von Schichten wie folgt aufgebracht: eine 2560 nm dicke Silberschicht 21, eine 161 nm dicke
Wismut-Schicht 22, eine 804 nm dicke Indium-Schicht 23, eine 147 nm dicke Wismut-Schicht 24 und eine 74 nm dicke
Silberschicht 25.
Nach dem stirnseitigen Zusammenführen der Schichtenfolgen werden die Fügepartner 1, 2 für eine Fügezeit von zirka 5 Minuten bei einer Fügetemperatur von 85 °C und einem
Fügedruck von 2,5 bar miteinander verbunden. Bei den
Fügepartnern 1, 2 handelt es sich beispielsweise um eine Keramikplatine und eine Metallkernplatine.
In Verbindung mit der Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem als erster Fügepartner 1 eine
Halbleiterscheibe aus GaAs und als zweiter Fügepartner 2 eine Keramikscheibe aus S13N4 oder A1N Verwendung findet. Auf den ersten Fügepartner 1 wird elektrochemisch eine 511 nm dicke Silberschicht 11 abgeschieden, welche die erste
Schichtenfolge bildet. Die zweite Schichtenfolge 20 auf dem zweiten Fügepartner 2 umfasst eine 428 nm dicke Indium- Schicht 23, eine 72 nm dicke Wismut-Schicht 24 und eine 190 nm dicke Silberschicht 25, die jeweils durch Aufdampfen aufgebracht werden. Bei einer Fügetemperatur von 115 °C und einem Fügedruck von 10 bar werden die beiden Fügepartner 1, 2 für 120 Minuten zusammengepresst und auf diese Weise
miteinander verbunden.
In Verbindung mit der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf den ersten Fügepartner 1 als erste Schichtenfolge 10 eine 1775 nm dicke Silberschicht
aufgebracht ist. Auf den zweiten Fügepartner 2 wird als zweite Schichtenfolge 20 die Indium-Wismut-Schicht 29 aufgebracht. Die Indium-Wismut-Schicht 29 besteht aus einer Indium-Wismut-Legierung mit 33,3 Masseprozent Wismut, die durch Sputtern oder Plasmasprühen aufgebracht ist und die eine Dicke von 775 nm aufweist. Vor dem Fügen werden die Stirnflächen der ersten Schichtenfolge 10 und der zweiten
Schichtenfolge 20, die dem jeweiligen Fügepartner abgewandt liegen, nasschemisch beispielsweise mit einer wässrigen
Lösung von Ameisensäure gereinigt. Anschließend erfolgt ein Verbinden bei einem Fügedruck von 15 bar und einer
Fügetemperatur von 95 °C über eine Fügezeit von 30 Minuten.
In Verbindung mit der Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf dem ersten Fügepartner als erste Schichtenfolge 10 eine Silberschicht 11 mit einer Dicke von wenigstens 160 nm und höchstens 1500 nm, zum Beispiel 1350 nm aufgebracht wird.
Auf den zweiten Fügepartner 2 wird über eine 1000 nm dicke Silberschicht 21 ein Schichtstapel aus fünf Paaren von jeweils 187 nm dicker Indium-Schicht 23 und 63 nm dicker
Wismut-Schicht 24 aufgedampft, der separiert durch eine 8 nm dicke Titanschicht 26 von einer 260 nm dicken Silberschicht 25 abgedeckt wird. Die Titanschicht 26 schützt dabei vor einem vorzeitigen Durchmischen von Wismut beziehungsweise Indium einerseits und Silber andererseits. Eine solche
Titanschicht kann auch zwischen der Silberschicht 21 und dem Schichtenstapel aus Indium und Wismut eingebracht werden. Ferner ist es möglich, eine solche Titanschicht auch zwischen jedes Paar von Indium- und Wismut-Schichten einzubringen, wenn eine Durchmischung besonders lange hinausgezögert werden soll . In Verbindung mit der Figur 6 ist die Verbindung von erstem Fügepartner 1 und zweitem Fügepartner 2 durch die
Verbindungsschicht 30 zu einer hier beschriebenen Anordnung von Fügepartnern gezeigt, die durch ein hier beschriebenes Verfahren erzeugt ist. Die Verbindungsschicht 30 umfasst Bereiche 32, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen. Beispielsweise handelt es sich bei den Bereichen 32 um
Wismutkörner, in denen geringe Mengen von Silber und/oder Indium gelöst sein können. Die Wismutbereiche 32 sind
allseitig von dem Material 31, das Silber und Indium enthält, umgeben. Der Flächenanteil der Bereiche aus Wismut beträgt im gezeigten Querschnitt dabei vorzugsweise höchstens 15 %.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 102013103081.5, deren
Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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. Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern (1, 2) mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines ersten Fügepartners (1) und eines zweiten Fügepartners (2),
- Aufbringen einer ersten Schichtenfolge (10) auf den ersten Fügepartner (1),
- Aufbringen einer zweiten Schichtenfolge (20) auf den zweiten Fügepartner (2),
- Zusammenpressen der ersten Schichtenfolge (10) und der zweiten Schichtenfolge (20) an ihren dem ersten Fügepartner (1) und dem zweiten Fügepartner (2) jeweils abgewandten
Stirnflächen unter Anwendung eines Fügedrucks (p) bei einer Fügetemperatur für eine vorgegebene Fügezeit, wobei
- die erste Schichtenfolge (10) zumindest eine Schicht (11, 15) umfasst, die Silber enthält oder die aus Silber besteht,
- die zweite Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht (29) umfasst, die Indium und Wismut enthält, oder die zweite
Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht (23) umfasst, die Indium enthält, und eine Schicht, die Wismut (22, 24) enthält,
- die Fügetemperatur höchstens 120 °C beträgt, und
- die erste Schichtenfolge (10) und die zweite Schichtenfolge (20) zu einer Verbindungsschicht (30) verschmelzen, die direkt an den ersten Fügepartner (1) und den zweiten
Fügepartner (2) grenzt.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die AufSchmelztemperatur der Verbindungsschicht (30) wenigstens 260 °C beträgt.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Verbindungsschicht (30) Bereiche (32) aufweist, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche (32) vollständig von einem Material (31) umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Verbindungsschicht (30) frei von einer Schicht ist, die aus Wismut besteht oder wobei die Verbindungsschicht (30) frei von einer einfach zusammenhängenden Schicht ist, die aus Wismut besteht.
5. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Verbindungsschicht (30) elektrisch leitend ist.
6. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Verbindungsschicht (30) frei von Gold und frei von Flussmitteln ist.
7. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei in einer Querschnittsfläche der Verbindungsschicht (30) der Anteil der Querschnittsfläche, der aus Wismut besteht, höchstens 50 % beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite
Schichtenfolge (10) eine Schicht oder eine Abfolge direkt aneinandergrenzender Schichten umfasst, wobei die Schicht oder die Abfolge von Schichten ausschließlich Indium und Wismut enthalten, wobei der Stoffmengenanteil von Indium wenigstens 67 at% und höchstens 85 at% beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite
Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht umfasst, die aus Indium besteht und zumindest eine Schicht, die aus Wismut besteht, wobei die Schicht aus Indium und die Schicht aus Wismut direkt aneinander grenzen.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die zweite Schichtenfolge (20) aus einer Schicht (29) besteht, die mit einer Wismut-Indium-Legierung gebildet ist.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite
Schichtenfolge (20) zumindest eine Schicht (26) umfasst, die aus Titan besteht und die direkt an eine Schicht (24) aus Indium oder eine Schicht (23) aus Wismut grenzt, wobei die Schicht (26) aus Titan dazu vorgesehen ist, ein Vermischen von Silber mit Indium und/oder Wismut zu verzögern.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die erste Schichtenfolge (10) und/oder die zweite
Schichtenfolge (20) eine Abfolge von Schichten (13, 23) aus Indium und Schichten (12, 14, 22, 24) aus Wismut umfasst, wobei die Abfolge an ihren Stirnflächen jeweils von einer Schicht aus Titan bedeckt ist.
13. Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei jede Schicht (29) aus Titan eine Dicke von höchstens 10 nm aufweist.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht aus Indium (13, 23) dicker ist als wenigstens die Hälfte der Schichten aus Wismut oder jede Schicht aus Wismut (12, 14, 22, 24), wobei wenigstens die Hälfte der Schichten aus Indium oder jede Schicht (13, 23) aus Indium eine Dicke von wenigstens 150 nm und höchstens 850 nm
aufweist und die Hälfte der Schichten aus Wismut oder jede
Schicht aus Wismut (12, 14, 22, 24) eine Dicke von wenigstens 50 nm und höchstens 300 nm aufweist.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei zumindest manche Schichten der ersten und der zweiten Schichtenfolge mittels einer der folgenden Abscheide- Techniken erzeugt werden: physikalische
Dampfphasenabscheidung, galvanisch Abscheiden, stromloses Abscheiden .
16. Anordnung von Fügepartnern mit
- einem ersten Fügepartner (1) und einem zweiten Fügepartner (2 ) , und
- einer Verbindungsschicht (30), die direkt an den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner grenzt, wobei
- die Verbindungsschicht (30) Bereiche (32) aufweist, die Wismut enthalten oder aus Wismut bestehen, wobei die Bereiche (32) vollständig von einem Material (31) umschlossen sind, das Indium und/oder Silber enthält.
17. Anordnung von Fügepartner nach dem vorherigen Anspruch, bei der
der erste Fügepartner (1) und der zweite Fügepartner (2) aus Materialien unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungsverhaltens bestehen.
18. Anordnung von Fügepartnern nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Verbindungsschicht (30) frei von einer Schicht ist, die aus Wismut besteht oder wobei die Verbindungsschicht (30) frei von einer einfach zusammenhängenden Schicht ist, die aus Wismut besteht.
19. Anordnung von Fügepartnern nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der
in einer Querschnittsfläche der Verbindungsschicht (30) der Anteil der Querschnittsfläche, der aus Wismut besteht, höchstens 50 % beträgt.
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