DE102008021167B3

DE102008021167B3 - Verfahren zur Erzeugung einer hermetisch dichten, elektrischen Durchführung mittels exothermer Nanofolie und damit hergestellte Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008021167B3
Application number: DE102008021167A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Naundorf; Hans Wulkesch
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-04-29
Also published as: CN102017110B; WO2009133105A1; US20110049729A1; EP2269213A1; US8227297B2; CN102017110A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Verbindung (1) von mindestens einem auf einem Substrat (3) innerhalb einer Verkapselung (5) positionierten elektronischen Bauelement (7) nach außerhalb der Verkapselung (5). Es soll die Funktionsfähigkeit der elektrischen Verbindung (1) bei Umgebungstemperaturen größer 140°C sowie bei großen Verlustleistungen und extremen Umwelteinflüssen bereitgestellt sein. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine reaktive Nanofolie (2) mit gezielter, exotherm auslösbarer Reaktion per Laser zur Herstellung hermetisch dichter, elektrischer Verbindungen (1) verwendet wird. Mittels der Nanofolie (2) kann ein Ausgang einer elektrischen Verbindung (1) und ein Kontakt der elektrischen Verbindung (1) an mindestens einen weiteren elektrischen Kontakt bereitgestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und Vorrichtungen gemäß dem Nebenanspruch.
Mit der mechatronischen Integration kommt es zunehmend zur Verwendung von Elektronik und Sensorik bei wesentlich höheren Umgebungstemperaturen/Verlustleistungen unter gleichzeitig sehr rauen Einsatzbedingungen beziehungsweise Umwelteinflüssen. Insbesondere im Bereich der Hochtemperaturelektronik werden dabei hermetisch dichte, robuste und integrierbare Verbindungen zur Außenwelt auf kleinstem Bauraum erforderlich. Bei Temperaturen oberhalb 150°C sind elektrische Durchführungen in Plastikgehäusen oft lediglich bedingt geeignet. Studien zeigen, dass es bei 180°C bereits innerhalb von 250 Stunden zu ersten Ausfällen der im Plastikgehäuse integrierten Schaltkreise kommt. Herkömmliche elektrische Metall-Glas-Durchführungen sind oft hinsichtlich der Herstellbarkeit, insbesondere hinsichtlich planarer Herstellungsverfahren und einer thermischen Anpassung, und bei der Integration ins Package problematisch.
Bei herkömmlichen elektrischen Durchführungen in Metallgehäusen, wie diese beispielsweise mit Kovar bereit gestellt sind (Kovar bezeichnet Legierungen die einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, typischer Weise circa 5 ppm/K, der damit geringer als der Koeffizient für Metalle ist; Zusammensetzung beispielsweise 54% Eisen, 29% Nickel und 17% Kobalt, wobei andere Zusammensetzungen ebenso möglich sind), werden Glasdurchführungen verwendet. Anschließend erfolgt der Verschluss mittels eines Deckels, der meist per Rollnaht geschweißt wird. Bei Keramikgehäusen werden in Mehrlagentechnik gesinterte Keramiken mit metallisierten Stromdurchführungen verwendet. Für die Chipmontage und die Verdrahtung durch Bon den ist dabei ein Hohlraum vorgesehen. Der Deckel muss üblicherweise gelötet werden, insbesondere mittels Schutzgas, flussmittelfrei, wobei Gold-Oberflächen verwendet werden. Bei elektrischen Durchführungen in Plastikgehäusen kommen oft umspritzte metallische Rahmen/Leadframes zur Verwendung. Umhüllungen aus Kunststoff sind hinsichtlich der erforderlichen Hermizität und aufgrund auftretender mechanischer Spannungen nur begrenzt für höhere Temperaturen verwendbar.

[1] offenbart die zehnfache Verringerung des thermischen Widerstands einer Schnittstelle beim Wärmesenkenbefestigen. Die Firma ”Reaktiv Nano Technologies (RNT)” hat eine neue Verbindungstechnikplattform entwickelt, die ein metallisches Bonden zwischen einem Chipgehäuse und einer Wärmesenke ausbilden kann und dabei einen thermischen Widerstand einer Schnittstelle aufweist der zehnmal kleiner ist als der von derzeitigen thermischen Schnittstellenmaterialien (TIM). Der Verbindungsprozess beruht auf der Verwendung von Reaktiven Mehrfachschichtfolien als örtliche Wärmequellen. Die Folien sind eine neue Klasse von Nanoerzeugnismaterialien wobei sich selbst ausbreitende exotherme Reaktionen bei Zimmertemperatur mit einem heißen Draht oder Laser ausgelöst werden können. Bei Einfügen einer Mehrfachschichtfolie zwischen zwei Lotschichten und einem Chipgehäuse und einer Wärmesenke, wärmt durch eine chemische Reaktion in der Folie erzeugte Wärme das Lot derart auf, dass es schmilzt und nachfolgend die Bestandteile bondet. Der Verbindungsprozess kann in Luft, Argon oder Vakuum in annähernd einer Sekunde vervollständigt werden. Die sich ergebenden metallischen Verbindungen zeigen thermische Leitfähigkeiten zwei Größenordnungen größer und thermische Widerstände eine Größenordnung kleiner als derzeitige kommerzielle thermische Schnittstellenmaterialien (TIMs). Es wird unter Verwendung von numerischen Modellen gezeigt, dass die thermische Belastung von mikroelektronischen Gehäusen während des Verbindens sehr eingeschränkt ist. Abschließend wird numerisch gezeigt das reaktives Verbinden zum Löten von Silizium Rohchips direkt an Wärmesenken verwendet werden kann ohne den Chip thermisch zu beschädigen.
[2] offenbart das direkte Rohchip-Befestigen mit Indium unter Verwendung von Raumtemperaturlöten. Es wird ein neuer Verbindungsprozess beschrieben der fliesmittelfreies, bleifreies Löten bei Raumtemperatur mittels der Verwendung von reaktiven Mehrschichtfolien als eine örtliche Wärmequelle ermöglicht. Mittels Aktivierung einer Mehrschichtfolie zwischen Lotschichten auf Komponenten wird Wärme durch eine Reaktion innerhalb der Folie erzeugt. Dieser Prozess stellt genug örtliche wärme zum Schmelzen des Lots und Fügen der Komponenten bereit. Es wird die Verwendung dieser Folie zum Ermöglichen des Befestigens von Silizium Rohchips direkt an thermische Verwaltungskomponenten dargestellt. Ergebnisse des Modellsystems zur Vorhersage von Temperaturen bei verschiedenen Schnittstellen während des Verbindens sind dargestellt und verifiziert. Im letzten Abschnitt werden Daten über die thermische Leistungsfähigkeit bereitgestellt, die anzeigen dass eine sechs bis achtfache Verbesserung der Rohchipgrößen von 8 × 8 mm auf 17,5 × 17,5 mm ermöglicht wird.

Die WO 2007/127931 A2 offenbart Verfahren zum Verbinden mittels reaktiver Komposite mit minimalem Auslaufen von Verbindungsmaterial. Derartiges Auslaufen ist nicht nur eine Verschwendung von teuerem Material, sondern ebenso eine Verringerung der optimalen Dicke der Verbindungsregionen. Bei manchen Anwendungen bewirkt ein Auslaufen ebenso Risiken wie Kurzschlüsse oder sogar Feuer. Es werden zwei Alternativen zum Verhindern von Schäden der Umgebung durch das Auslaufen von geschmolzenem Verbindungsmaterial vorgestellt. Eine erste Möglichkeit ist es, das Auslaufen durch Einfangen oder Halten des geschmolzenen Materials in einem Behälter in der Nähe der Verbindung zu verhindern, und zwar unter Verwendung von Barrieren, Dämmen oder ähnlichen Einrichtungen. Eine zweite Möglichkeit ist es, das Auslaufen durch Anpassen von Parametern innerhalb der Verbindung zu verringern, wie beispielsweise das Anpassen der Lötmittelzusammensetzung, des Verbindungsdruckes oder die Dicke von reaktiven Kompositmaterialien.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung min destens einer hermetisch dichten, elektrischen Verbindung von mindestens einem auf einem Substrat, innerhalb einer Verkapselung positionierten, elektronischen Bauelement nach außerhalb der Verkapselung sicher und zuverlässig bereitzustellen. Es soll die Funktionsfähigkeit bei hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere im Bereich größer 140°C, sowie bei großen Verlustleistungen, insbesondere im Bereich bis 600 Watt, und bei extremen Umwelteinflüssen, wie es beispielsweise hohe Luftfeuchtigkeit ist, sicher und zuverlässig erhalten bleiben, wobei eine Größe eines elektronischen Bauelements, beispielsweise im Bereich von 0,05 mm² bis 150 mm², gegeben ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Zur hermetisch dichten, elektrischen Durchführung/Kontaktierung wird eine Anordnung mit reaktiver Nanofolie und darauf beidseitig erzeugter Lotschichten verwendet.
Nanofolie ist eine Folie mit einem reaktiven Füllstoff, der bei einer Initiierung exotherm reagiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mittels der Nanofolie eine exotherme Reaktion ausgelöst werden. Als Nanofolie eignet sich insbesondere eine sogenannte unter dem Markennamen NanoFoil^® der Firma Reactive Nanotechnologies RNT vertriebene Folie. Bei der exothermen Reaktion entstehen hohe Temperaturen, beispielsweise bei einer Aluminium-Nickel-Multilager, im Bereich von 1000°C bis 2000°C.
Die elektrischen Verbindungen beziehungsweise Durchführungen sind hermetisch dicht und leicht integrierbar, da diese planar und gut wärmeleitend sind. Es werden auf einfache Weise leicht integrierbare, planare elektrische Durchkontaktierungen bereit gestellt. Die elektrischen Durchführungen weisen eine gute Wärmeleitung sowie Wärmespreizung auf.
Durch die lokal begrenzte Erwärmung beim Löten mit reaktiver Nanofolie kommt es zu einer Reduzierung thermisch induzierter mechanischer Spannungen bei gleichzeitig deutlich geringerer Temperaturbelastung der Bauelemente.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie außerhalb der Verkapselung zum Kontaktieren der elektrischen Verbindung an mindestens einem elektrischen Kontakt. Das heißt die Nanofolie wird zusätzlich zum Verkapseln ebenso zum Kontaktieren der elektrischen Verbindung verwendet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aktivieren einer einzigen exothermen Reaktion der Nanofolie zum gleichzeitigen Verschließen des Ausgangs und Kontaktieren der elektrischen Verbindung an mindestens einen elektrischen Kontakt. Das heißt das Verschließen des Ausganges und das Kontaktieren der elektrischen Verbindung wird durch das Aktivieren einer einzigen gemeinsamen exothermen Reaktion der Nanofolie bereitgestellt. Es ergibt sich der Vorteil, dass die elektrische Durchführung mit hermetischem Verschluss und gleichzeitig eine elektrische Kontaktierung der elektronischen Bauelemente beziehungsweise Chips bereitgestellt werden kann. Durch diese Auslegung kann der Verschluss beziehungsweise die Verkapselung der elektrischen Durchführung und/oder die Kontaktierung der Bauelemente beziehungsweise der Chips in einem Vorgang erfolgen, das heißt, dass beispielsweise ein Drahtbunden entfallen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie mittels eines Laserstrahls. Aufgrund der lokal begrenzten Erwärmung ergibt sich eine Reduzierung thermisch induzierter Spannungen. Die Aktivierung der exothermen Reaktion wird also per Laser indiziert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Laser ein Kohlendioxid- und/oder Diodenlaser. Es wird eine reaktive Nanofolie mit gezielter, exotherm auslösbarer Reaktion per Laser zur Herstellung hermetisch dichter, elektrischer Durchführungen verwendet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Fixieren der Nanofolie auf dem Substrat mittels eines Klebers.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Ankontaktieren des elektronischen Bauelements auf der Nanofolie mittels eines Leitklebers.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erzeugen der Verkapselung mittels Glas und/oder Keramik.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erzeugen mindestens einer elektrischen Durchkontaktierung durch das Substrat von der Nanofolie zu mindestens einer Metallisierung auf der der Nanofolie abgewandten Seite des Substrats.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Erzeugen der Durchkontaktierung mittels mehrlagiger High Temperature Cofired Ceramics (HTCC; Hochtemperaturmehrlagenkeramiken).
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben ist. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß erzeugten Vorrichtung mit hermetisch dichter, elektrischer Durchführungen mittels exothermer Nanofolie in schematischer Darstellung;
2 eine Darstellung des Temperaturprofils in der Fügezone;
3 die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß erzeugten Vorrichtung. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine elektrische Verbindung, die ebenso als Durchkontaktierung bezeichnet werden kann. Diese ist mit einer reaktiven Nanofolie 2 bereitgestellt, die beispielsweise Aluminium und Nickel aufweist. Die Nanofolie 2 ist auf beiden Seiten mit jeweils einer Lotschicht beschichtet, die beispielsweise AgSn aufweist. Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Substrat. Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Verkapselung beziehungsweise einen Gehäusedeckel, der beispielsweise Keramik und/oder Glas aufweist. Innerhalb der Verkapselung 5 ist ein elektronisches Bauelement 7 fixiert. Die beschichtete Nanofolie 2 ist strukturiert auf dem Substrat 3 aufgebracht. Das elektronische Bauelement 7 ist auf der strukturierten Nanofolie 2 ankontaktiert. Derartige Ankontaktierungen bezeichnet Bezugszeichen 9. Bezugszeichen 11 bezeichnet einen Laserstrahl zur Initiierung einer exothermen Reaktion der reaktiven Nanofolie 2. 1 zeigt ebenso eine elektrische Durchkontaktierung 13 durch das Substrat 3 von der Nanofolie zu mindestens einer Metallisierung 15 auf der der Nanofolie 2 abgewandten Seite des Substrats 3.
2 zeigt ein Temperaturprofil in der Fügezone. Ein derartiges Temperaturprofil in der Fügezone lässt sich mittels numerischer Modelle berechnen und wird über die Dimensionierung der Nanofolie 2 und Lotschichtdicke angepasst. 2 zeigt die Berechnung des transienten Temperaturverlaufs am Beispiel einer Kupfer/Aluminiumkombination. Die 2 ist aus [1] Seite 5a entnommen. Es kommt zu einem sehr schnellen Temperaturanstieg/-abfall von kleiner 1 Millisekunde bei entsprechend lokal begrenzte Erhitzung der Fügezone.
3 zeigt die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung mindestens einer hermetisch dichten, elektrischen Verbindung 1 von mindestens einem auf einem Substrat 3, innerhalb einer Verkapselung 5 positionierten elektronischen Bauelement 7 nach außerhalb der Verkapselung 5. Gemäß einem Schritt S1 erfolgt ein Fixieren mindestens einer strukturierten, beidseitig mit jeweils einer Lotschicht beschichteten reaktiven Nanofolie 2 auf dem Substrat 3. Mit einem Schritt S2 erfolgt ein Ankontaktieren des elektronischen Bauelements 7 auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite der Nanofolie 2. Mit einem Schritt S3 erfolgt ein Erzeugen der Verkapselung 5 des elektronischen Bauelements 7, auf dem Substrat 3 und/oder auf der Nanofolie 2. Mit einem Schritt S4 erfolgt ein Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie 2 außerhalb der Verkapselung 5 zum Verschließen des Ausgangs der elektrischen Verbindung 1.
Literaturverzeichnis:

[1] „A Tenfold Reduction in Interface Thermal Resistance for Heat Sink Mounting” D. Van Heerden, O. M. Knio, and T. P. Weihs; Reaktive Nano Technologies, 111 Lake Front Drive, Hunt Valley, MD 21030.
[2] ”Direct Die Attach With Indium Using a Room Temperature Soldering Process” J. S. Subramanian, T. Rude, J. Newson, Z. He, E. Besnoin, T. Weihs; Reaktive Nano Technologies, 111 Lake Front Drive, Hunt Valley, MD 21030.

Claims

Verfahren zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Verbindung (1) von mindestens einem auf einem Substrat (3), innerhalb einer Verkapselung (5) positionierten elektronischen Bauelement (7) nach außerhalb der Verkapselung (5), mit den Schritten Fixieren mindestens einer strukturierten, beidseitig mit jeweils einer Lotschicht beschichteten, die elektrische Verbindung (1) erzeugenden, reaktiven Nanofolie (2) auf dem Substrat (3); Ankontaktieren des elektronischen Bauelements (7) an die Nanofolie (2), auf der dem Substrat (3) abgewandten Seite der Nanofolie (2); Erzeugen der Verkapselung (5) um das elektronische Bauelement (7) herum, auf dem Substrat (3) und auf der Nanofolie (2), wobei die Nanofolie unmittelbar zwischen dem Substrat und zumindest einem Randbereich der Verkapselung angeordnet ist und Bereiche der Nanofolie innerhalb der Verkapselung und andere Bereiche außerhalb der Verkapselung angeordnet sind; Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie (2) außerhalb der Verkapselung (5), an einem Ausgang der elektrischen Verbindung (1) aus der Verkapselung (5) zum Verschließen des Ausgangs, wobei der Ausgang zwischen dem Substrat und dem Randbereich der Verkapselung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie (2) außerhalb der Verkapselung (5) zum Kontaktieren der elektrischen Verbindung (1) an mindestens einen elektrischen Kontakt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aktivieren einer einzigen exothermen Reaktion der Nanofolie (2) zum gleichzeitigen Verschließen des Ausgangs und Kontaktieren der elektrischen Verbindung (1) an mindestens einen elektrischen Kontakt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Aktivieren einer exothermen Reaktion der Nanofolie (2) mittels eines Laserstrahls.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch den Laserstrahl eines Kohlendioxid- und/oder Diodenlasers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Fixieren der Nanofolie (2) auf dem Substrat (3) mittels eines Klebers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Ankontaktieren des elektronischen Bauelements (7) auf der Nanofolie (2) mittels eines Leitklebers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Erzeugen der Verkapselung (5) mittels Glas und/oder Keramik.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Erzeugen mindestens einer elektrischen Durchkontaktierung (13) durch das Substrat (3) von der Nanofolie (2) zu mindestens einer Metallisierung (15) auf der der Nanofolie (2) abgewandten Seite des Substrats (3).
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Erzeugen der Durchkontaktierung mittels mehrlagiger High Temperature Cofired Ceramics.
Vorrichtung aufweisend mindestens eine elektrische Verbindung (1) von mindestens einem auf einem Substrat (3), innerhalb einer Verkapselung (5), fixierten elektronischen Bauelement (7) nach außerhalb der Verkapselung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einem Verfahren der vorangehenden Ansprüche erzeugt worden ist.