2D und 3D Werkstoff-Morphologien für das reaktive Mikrofügen in der Elektronik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Heike Bartsch; Professor Dr. Peter Schaaf
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426362670

Die Anwendung von selbstfortschreitenden Reaktionen für das Fügen elektronischer Komponenten in der Nanotechnologie ermöglicht ein schnelles Fügen mit lokalem Wärmeeintrag, z. B. beim Electronic Packaging. Die selbstfortschreitende Reaktion ist jedoch schwer zu kontrollieren und an der Verbindungsschnittstelle werden thermomechanische Spannungen erzeugt. Das Projekt zielt darauf ab, die Forschung auf der Grundlage der in der laufenden ersten Phase erzielten Ergebnisse fortzusetzen. Die Auswirkung der Oberflächentopographie des Substrats auf die Morphologie der hergestellten reaktiven Mehrschichtsysteme (RMS) und ihr daraus resultierender Einfluss auf das Verhalten und die Reaktion der Al/Ni-RMS wurde in der ersten Phase des Projekts nachgewiesen. Diese Effekte müssen jedoch auf Werkstoffe übertragen werden, die für die Mikrotechnik von besonderem Interesse sind (Si, Cu, Glas, PMMA, Al2O3). Ziel ist es, den Einfluss der morphologischen Merkmale und der physikalischen Eigenschaften der Fügepartner auf die mikrostrukturellen Merkmale der hergestellten RMS sowie auf die thermophysikalischen Eigenschaften des Systems und die Reaktionskinetik zu untersuchen. Endziel ist ein "geeigneter" Mikrofügeprozess mit passenden elektrischen und thermischen Eigenschaften einer hochwertigen mechanischen Verbindung. Der Schwerpunkt liegt auf wohldefinierten geometrisch geordneter oder zufälliger Oberflächenmorphologien, die in Kombination mit den physikalischen Eigenschaften des Substrats das Wachstum der Multilagen während des Sputterns beeinflussen und sich auf die mikrostrukturellen Eigenschaften des Al/Ni RMS auswirken. Die Substrateigenschaften können die Wärmeübertragungsbedingungen während der Selbstausbreitung verändern, indem sie die Geschwindigkeit und die Höchsttemperatur beeinflussen. Auch die Abkühlungsgeschwindigkeit wird beeinflusst, was sich auf die Mikrostruktur und Morphologie der Reaktionsprodukte auswirkt. Strategien für sequentielles und paralleles Zünden können eingesetzt werden, um Wärmeverteilung, die Vorwärmung und die Abkühlungsraten lokal zu steuern. Fügeexperimente mit unterschiedlichen Chip-Substrat-Kombinationen mit maßgeschneiderten Oberflächenmorphologien ermöglichen die Analyse der Fügequalität und Fehleranalysen im Fügebereich. Damit werden Anwendungsregeln für die Auswahl geeigneter Oberflächenstrukturen und das RML-Design für qualitativ hochwertige Fügeprozesse entwickelt. Diese Einblicke in den Einsatz unterschiedlicher Architekturen für das Chipfügen werden die Entwicklung von vorgefertigten Schichtstrukturen für das zukünftige Fügen auf der Mikroskala im Electronic Packaging fördern. Die Ableitung von Designregeln für Substratmorphologie, 3D-Geometrien und Multilagen-Architektur im Hinblick auf zuverlässige Chipverbindungen in elektronischen Systemen wird zu diesem Ziel beitragen. Die Ergebnisse werden eine maßgeschneiderte Packaging-Architektur für die reaktive elektronische Chipmontage in der Zukunft ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen