Durchgeführte Arbeiten - ZfM

1

1.1. Teilziel/Arbeitspaket 1 „Abscheidung der Nanopartikel durch Aerosol-Jet-Technologie“

Durchgeführte Arbeiten

1. Recherche geeigneter Tinten:

Die Auswahl einer geeigneten Tinte für das Aerosol-Jet Printen wurde abgeschlossen.

Gewählt wurde eine Nanopartikel-Silber-Tinte „CSD 32-Cabot Fine Particle Silver Ink“

der Firma „Cabot Printed Electronics Materials“. Die Tinte ist speziell für das Aerosol-

Jet Printen entwickelt und auf den Prozess angepasst. Besonders der hohe Feststoffanteil

und die niedrigen Sintertemperaturen (laut Spezifikation bereits ab 100°C) sind für das

Projektergebnis vorteilhaft. Weiterhin ermöglicht die kommerzielle Verfügbarkeit des

Materials einen zügigen Transfer der zu entwickelnden Technologie in die industrielle

Anwendung. Eine mögliche Alternative bietet die Ag Nanopartikel Tinte der

„Sunchemical Corporation“ EMD5714 mit einem Feststoffanteil von 40wt%.

Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften beider

Tinten:

Tabelle 1 Übersicht Tintenparameter CSD 32 und EMD5714

Eigenschaft CSD 32 INK EMD5714 INK

Metall Ag Nanopartikel Ag Nanopartikel

Ag Anteil 45-75 wt% 40wt%

Viskosität 50 – 100 cP 10 -13 cP

Sinter

Temperatur

100-300°C >200°C

Die Ag Tinte CSD32 stand ab Mitte des Projektzeitraumes nicht mehr zur Verfügung.

Als Kompensation wurde eine Ag Nanopartikeltinte SW1020 der japanischen Firma

Bando gewählt. Die Nachfolgende Tabelle zeigt die Eigenschaften im Vergleich zu

CSD 32.

Tabelle 2 Übersicht Tintenparameter CSD 32 und EMD5714

Eigenschaft CSD 32 INK SW1020

Metall Ag Nanopartikel Ag Nanopartikel

Ag Anteil 45-75 wt% 40wt%

Arbeitspakte 1. Jahr 2. Jahr

AP1. Abscheidung der Nanopartikel durch Aerosol-Jet-Technologie

1.1 Auswahl geeigneter Nanopartikel-Pasten bzw. –Tinten für die unterschiedlichen Prozessoptionen (Ag-Tinte von Bayer, SunChemical, Cabot, etc.)

1.2 Prozessentwicklung/ -optimierung und Abscheidung auf planaren Si-Substraten

1.3 Variation der Substratmaterialien für die Abscheideprozesse

1.4 Prozessentwicklung der simultanen Abscheidung von Bondrahmen und Leitbahnen

AP2. Untersuchungen zum Sinter-/Bondverhalten

2.1 Prozessentwicklung des Sinterns durch Wärmeeintag an abgeschiedenen Schichten

2.2 Prozessentwicklung Sintern durch Anlegen einer el. Spannung

2.3 Bondtests mit großflächig beschichteten Substraten

AP3. Charakterisierung der Schichtsysteme

3.1 Bewertung mittels Lichtmikroskop

3.2 REM, Ellipsometrie, Profilometer, XRD, EDX, AFM

3.3 Elektrische Charakterisierung der Schichten

3.4 HRTEM-Aufnahmen

AP4. Durchführung von Bondtests / Bonden von Teststrukturen

4.1 Entwurf von Teststrukturen

4.2 Durchführung der Bondtests mit Bondrahmen

AP5. Charakterisierung der Fügeverbindung

5.1 mechanisch, hermetisch, elektrisch

5.2 Mikrostrukturell

AP6. Berichterstattung

…an den Fördergeber

…an den pbA

Personal Σ

Wiss. Mitarbeiter/in (Gruppe A [TV-L 13]) 24 3 3 3 3 3 3 3 3

Techn. Mitarbeiter/in (Gruppe B [TV-L 11]) 12 1 1 2 2 2 2 1 1

Studentische Hilfskräfte (Gruppe F, 86h/Monat) 12 1 1 2 2 2 2 1 1

MS1 MS2 SB

2

Viskosität 50 – 100 cP 6 – 10cP

Sinter

Temperatur

100-300°C >120°C

Nachfolgende Abbildung gibt einen Überblick über die Partikelgrößen und das

Sinterverhalten der Tinte. Im Gegensatz zu CSD 32 weißt SW1020 wesentlich kleinere

Partikel auf und sollte daher eine wesentlich besser Performance für die geplante

Anwendung zeigen.

Abbildung 1Partikelverteilung und Sinterverhalten SW1000 Reihe [Quelle:

Bando Chemical Industries]

2. Herstellen von Testsubstraten

Als Testsubstrate wurden Silizium Wafer (6 Zoll) mit RCA1&RCA2 Prozedur

gereinigt. Die Substrate wurden thermisch 1µm oxidiert. Diese Substrate dienen für

Abscheideversuche und damit der Parameterfindung und –Optimierung.

3. Abscheidung der Nanopartikeltinten auf planaren Si Substraten

Erste Abscheideversuche auf den Silizium Substraten wurden durchgeführt. Ziel der

Untersuchung war die Bewertung des Druckbildes und der Parameterfindung für

optimierte Abscheidungen. Das Aerosol-Jet Verfahren beruht auf dem Zerstäuben einer

gefüllten / ungefüllten Tinte und dem Transport dieses so gebildeten Aerosols zum

Druckkopf. Im Druckkopf wird das Aerosol fokussiert und auf das Substrat

abgeschieden. Das Druckbild wird dabei durch einen elektromagnetisch regelbaren

Shutter erzeugt. Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau der Zerstäubereinheit und

des Druckkopfes.

3

Abbildung 2 Schematischer Aufbau Aerosol Jet AJ 300 Zerstäubereinheit und

Druckkopf [Quelle: Rework von Optomec]

Folgende Parameter (Tabelle 3 Parameter Übersicht Aerosol-Jet Verfahren) sind bei der

Aerosol-Jet Technologie relevant (gedruckt wurde mit einem pneumatischen Atomizer

wie in Abbildung 2 gezeigt):

Tabelle 3 Parameter Übersicht Aerosol-Jet Verfahren

Parameter Beschreibung

Sheath Gas Schutzgas: legt sich um

den eigentlichen

Materialstrahl und

fokussiert diesen

Atomizer Gas Flow

(AGF)

Flussrate mit der das

Partikel-Gas-Gemisch

zum Druckkopf bewegt

wird

Virtual Impactor Gas

Flow

Der Impactor dient der

Erhöhung des

Feststoffanteils im

Aerosol.

4

Substrate Temperature Die Substrattemperatur

Stand-Off Hight Abstand Substrat-

Druckkopf

Ink Temperature Die Temperatur der Ag

Nanopartikel Tinte im

Reservoir

Druckgeschwindigkeit Geschwindigkeit mit der

sich das Substrat unter

dem Druckkopf bewegt

Für die Druckversuche wurden Testlayouts (siehe Abbildung 3) entwickelt. Diese

dienen der Bewertung des Druckbildes (Linienbreite, Linienhöhe, Randeffekte) und

über die Anschlusspads kann der elektrische Widerstand R mittels der 4-Leitermethode

ermittelt werden. Die Leiterzüge haben eine Länge von 10 mm. Größere Pads mit 5 mm

x 5 mm Abmessung dienen der vergleichenden Messung des elektrischen

Flächenwiderstandes □ mit der Van-der-Pauw-Messmethode.

Abbildung 3 Aufbau Teststrukturen

Der Einfluss des Sheath Gases zeigt sich im Besonderen bei der erreichten

Leiterbahnhöhe, wobei aber auch die Breite der gedruckten Linie deutlich beeinflusst

werden kann. Folgende Diagramme stellen Einfluss des Sheath Gases, die

Druckgeschwindigkeit und die Linienbreite/-höhe gegenüber. Mit zunehmenden Sheath

Gas Flow kommt es zu einer stärkeren Fokussierung des Materialstrahls. Aus den

Messwerten lässt sich ableiten, dass bei höherem Sheath Gas die Linienbreite sinkt und

die Dicke der Linie anwächst. Bei 95 ccm Sheath Gas Flow können Linienhöhen von

950 nm und Linienbreiten von 35 µm bei einer Überfahrt mit CSD32 Ag Ink erreicht

werden. Die Druckgeschwindigkeit bestimmt bei diesem Prozess die Menge des

Materialauftrages. Desto geringer die Druckgeschwindigkeit desto höher ist der

Materialauftrag.

5

Linienbreite vs. Sheath Gas bei

verschiedenen Druckgeschwindigkeiten

(1mm/s, 2mm/s, 5mm/s)

Linienhöhe vs. Sheath Gas bei

verschiedenen Druckgeschwindigkeiten

(1mm/s, 2mm/s, 5mm/s)

Abbildung 4 Linienbreite und -höhe bei Variation der Druckgeschwindigkeit

Weiterhin konnte der Einfluss des Sheath Gases Qs auf die Linienqualität nachgewiesen

werden. Bei dem Aerosol-Jet Verfahren bilden sich Satellitentropfen welche den

fokussierten Materialstrahl verlassen und damit die erreichbare Linienbreite negativ

beeinflussen. Optimale Linienqualitäten bei ausreichend geringer Linienbreite können

ab Qs=75ccm erreicht werden.

Qs=50 ccm Qs =75 ccm Qs =100 ccm

Abbildung 5 Einfluss des Sheath Gases auf Linienbreite

Anhand von Mikrokopien wurde weiterhin das Druckbild bewertet. Einen wesentlichen

Einfluss hat, neben der bereits erwähnten Sheath Gas Flow Rate Qs, der Abstand

zwischen Druckkopf und Substrat Hs. Mit steigendem Abstand kommt es zu einer

Verbreiterung der Linienbreite. Werden mit konstanten Druckparametern bei Hs=2mm

noch Linienbreiten von bl=25 + 2 µm erreicht, sind bei Hs=15mm Linienbreiten von

bl=44 + 4 µm gemessen worden. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich neben

der Aufweitung der Linie auch noch eine deutlich größere Unschärfe der Linie ergibt.

Hs=2 mm Hs =5 mm Hs =15 mm

Abbildung 6 Einfluss des Abstandes Druckkopf zu Substrat auf Linienbreite

Bei der Substrattemperatur von 50°C kommt es zum sofortigen antrocknen der Tinte.

Das Profil der gedruckten Linien wurde mit einem DEKTAK Profilometer bestimmt.

6

Es zeigt sich der für Druckprozesse charakteristischer Kaffeeringeffekt. Bei dem

Trocknen der Tinte häufen sich Partikel am Rand der gedruckten Strukturen an.

Profil eines gedruckten Spots. Linien sind an ihren

Rändern stets höher als in der Mitte (Kaffeeringeffekt)

Abbildung 7 Typisches Profil einer gedruckten Tinte nach dem Trocknen

Neben Silizium als typisches Substrat der Mikrosystemtechnik wurden diverse weitere

Materialien (AP1.3) in Absprache mit den pbA Mitgliedern für Beschichtungsversuche

gewählt und Demonstratoren aufgebaut. Abbildung 8 gibt einen Überblick über die Im

Projekt realisierten industrienahen Anwendungen und Testvehicle.

Cu Kühlkörper mit Ag Bondrahmen für Fügeversuche

7

Keramik Package mit Glasdeckel – bedruckt mit Ag Nanopartikel für Fügeversuche

MEMS mit Glasdeckel, Vias in Glasdeckel mit Ag Nanopartikel gefüllt

Querschnitt REM Aufnahme an FIB Schnitt gedruckter Ag Nanopartikel auf

gefüllten Polymer

8

Bando SW1020 auf Polycarbonat (low cost polymer). Test auf Drahtbondbarkeit

mit Au stud-bumps

Bando SW1020 auf Polycarbonate (low cost polymer). Test von gewöhnlichem Sn

Löten

REM Aufnahme an FIB Schnitt. Gedruckter Stack:CSD Ag und Dielektrikum (UV

curable) als Multilayer Aufbau

9

REM Aufnahme an FIB Schnitt: Anbindung Ag Nanopartikel an Pt Draht

Foto: Gedruckte Interdigitalstruktur auf PMMA zur Erzeugung von Gas durch

Elektrolyse

10

Foto: Gedruckte Elektroden über 400 µm tiefe Strukturen in Si

Abbildung 8 Überblick über Testvehicle - industrienahe Anwendungen für

Abscheideversuche

4. Erstellen optimierter Abscheideparameter

Durch die genannten Untersuchungen wurden die optimalen Abscheideparameter

identifiziert, um möglichst dünnen Linien bei großer Liniendicke abscheiden zu können.

Dies ist für das spätere Erzeugen von Bondrahmen von hohem Interesse, da hier eine

hohe Strukturtreue vorausgesetzt werden muss.

Parameter Optimierte Parameter

für Cabot CSD 32 Ink

auf Silizium

Sheath Gas

75 – 95 ccm

Atomizer Gas Flow

(AGF)

700 – 1000 ccm

Virtual Impactor Gas

Flow

AGF – 30 ccm

Substrate Temperature 50 °C – 100 °C

Stand-Off Hight 2 – 10 mm

Ink Temperature 30 °C

Druckgeschwindigkeit 1 – 20 mm/s

.

11

Erzielte Ergebnisse

Im Projektverlauf wurden folgende Ergebnisse im AP1 erreicht:

- Auswahl mehrere geeigneter Ag Nanopartikel Tinten (CSD 32 und SW1020)

- Testsubstrate aus planaren Si für Druckversuche

- Teststrukturen für Sinteruntersuchungen und el. Charakterisierung

- Optimierte Abscheideparameter für das Drucken von Ag Nanopartikel Tinte auf planaren

Si Substraten

- Optimierte Abscheideparameter für das Drucken von Ag Nanopartikel Tinte weiteren

diversen Substraten

- Drucken von Bondrahmen

Zusammenfassung

Im Projekt wurden eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien mit dem Aerosol-Jet Verfahren

und Ag Nanopartikel basierten Tinten beschichtet. Es zeigte sich, dass durch die Variation der

Prozessparameter die gewünschte Auflösung in allen Fällen erreicht werden konnte wobei

Strukturbreiten > 30µm problemlos erzeugt werden können. Hinsichtlich des

Benetzungsverhaltens der Ag Tinte auf dem Substrat und der Haftfestigkeit kann keine

generelle Aussage getroffen werden. In nachfolgenden Kapiteln wird auf die Anbindung der

Ag Partikel an Metallbenetzungslayer detailliert eingegangen, da dies im Projekt der Fokus für

eine stabile Fügeverbindung ist.

1.2. Teilziel/Arbeitspaket 2 „Untersuchungen zum Sinterverhalten“

1. Sintern der erzeugten Schichten durch Wärmeeintrag auf der Heizplatte

a. Testdrucke auf Silizium Wafern

Proben mit dem Testdesign auf SiO2 Substrat für Sinteruntersuchungen auf einer

Heizplatte hergestellt. Die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen ab 100°C

für jeweils 30min gesintert. Nach anschließenden Untersuchungen wurden die Proben

Aj-SiO2-Ag-11 und Aj-SiO2-Ag-12 nochmals bei erhöhten Temperaturen nachgesintert,

um eine nachträglichen Wärmebehandlung zu simulieren.

Tabelle 4 Probenübersicht Sinterverhalten beim Auslagern im Ofen

Bezeichnung Sinterregime

Aj-SiO2-Ag-10 100°C, 30min

Aj-SiO2-Ag-11 150°C, 30min + 300°C,

90min















3.4 HRTEM-Aufnahmen









…an den pbA

Personal Σ




MS1 MS2 SB















3.4 HRTEM-Aufnahmen









…an den pbA

Personal Σ




MS1 MS2 SB

12

Aj-SiO2-Ag-12 200°C, 30min + 250°C,

120min

Aj-SiO2-Ag-13 250°C, 30min

Die gesinterten Proben wurden mittels Rasterelektronen Mikroskop untersucht, um den

Einfluss der verschiedenen Temperaturen auf das Sinterverhalten der Ag Nanopartikel

zu untersuchen und um die optimalen Sinterparameter zu identifizieren.

ungesintert 100°C, 30min

200°C, 30min 250°C, 30min

250°C, 120min 300°C, 90min

Abbildung 9 Übersicht Sinterverhalten Cabot CSD 32

2. Sintern der gedruckten Schichten durch Wärmeeintrag mittels Laser

a. Testdrucke auf Silizium Wafern

Proben mit dem Testdesign aus AP 1 wurden auf SiO2 Substrat für

Sinteruntersuchungen mit einem Infrarotlaser gesintert. Der Laser besitzt eine

Wellenlänge von 830nm (max. 700mW bei 2A). Der Laserstrahl wurde nach dem

antrocknen der Strukturen mit verschiedenen Geschwindigkeiten und Leistungen über

die Teststrukturen gefahren, um verschieden hohe thermische Energien in die

gedruckten Strukturen einbringen zu können.

Tabelle 5 Probenübersicht Lasersintern

Bezeichnung Geschwindigkeit des

Lasers

Ansteuerung des

Lasers

Aj-SiO2-Ag-1 1mm/s 2A



Aj-SiO2-Ag-4 1mm/s 1,2A



13




Das Lasersintern ermöglicht einen lokalen Energieeintrag und ist daher gegenüber

dem Sintern im Ofen für empfindliche Substrate geeignet. Abbildung 10 zeigt den

stromabhängigen Energieeintrag [in mW].

Abbildung 10 Leistung des eingesetzten Lasers über die Stromstärke

Für weitergehende Gefügeuntersuchungen wurde einfache Linienstrukturen (siehe

Abbildung 11) auf Silizium Substrat abgeschieden und im Querschnitt nach dem

Lasersintern untersucht.

Abbildung 11 Probenübersicht für Gefüge Analysen beim Lasersintern.

Die Laserleistung wurde variiert, um den Einfluss auf die Gefügebildung beim

Lasersintern darzustellen. Anschließende Präparation durch FIB und Analysen mittels

Rasterelektronenmikroskop wurden durchgeführt. Aufgrund der geringen Haftung von

Ag an Silizium und durch den lokalen Energieeintrag beim Lasersintern konnten

Spannungsinduzierte Risse an Proben in der Leitbahnmitte festgestellt werden. In

folgenden Betrachtungen wurde der Riss als Fokusmittelpunkt des Lasers gewertet und

Bildanalysen zur Gefüge Struktur durchgeführt. Abbildung 12 zeigt die Rissbildung an

den unterschiedlichen Proben.

14

Abbildung 12 Querschnitt an Lasergesinterten Proben bei 90mW, 440mW und 960mW

Laserleistung

Eine Vergrößerte REM Aufnahme () zeigt den Anstieg der Spannung im gesinterten Ag

durch einen vergrößerten Riss und ein deutlich weiteres Abheben der Ag Struktur vom

Si Substrat an der Rissstelle.

Abbildung 13 Spannungsbedingtes Abheben der Ag Struktur vom Substrat

Die Gefüge Analyse mittels verschiedenen Detektortypen am Querschnitt ist nicht

eindeutig. Es ist erkennbar, dass bei steigender Energie die Korn- und Porengröße

zunimmt (Abbildung 14), wobei

Abbildung 14 Gefüge Veränderung bei unterschiedlichem Energieeintrag durch Laser

eine nachfolgende Bildanalyse (Kantenerkennung der Porenhohlräume und Extraktion)

den Unterschied verdeutlicht. Abbildung 15 zeigt ein Beispiel dieser Analysetechnik im

Vergleich zwischen Leistungen 90mW und 960mW.

15

Abbildung 15 Vergleich Bildanalyse bei 90mW Laserleistung vs. 960mW Laserleistung

beim Sintern

Bei niedrigem Energieeintrag zeigt sich eine sehr feine Verteilung der Poren, zu

erkennen den schwarzen Konturen (Extraktion der Porenholräume) wobei eine

Erhöhung der Temperatur / Energieeintrag zum deutlichen Kornwachstum und zur

Zunahme der Porengröße führt. Dieses Verhalten kann man direkt an der Verteilung des

Energieeintrags durch den Laser (Gauß) beobachten, indem man die Bildanalyse an

verschiedenen Stellen einer Probe durchführt. Wie in Abbildung 16 dargestellt, zeigt

sich ein deutliches Kornwachstum im Rissbereich (Laserfokus). Dieser nimmt nach

außen hin ab.

16

Abbildung 16 Gefügebildung an Ag Nanopartikeln beim Lasersintern von Laserfokus

(links) bis zum Strukturrand (rechts)

Zusammenfassend können beim Lasersintern mit dem gewählten IR Laser folgende

Effekte beobachtet werden:

Die Rissbildung in der Mitte der Laserspur ist unabhängig von der

Stromstärke.

Die Rissbreite nimmt jedoch mit steigender Stromstärke zu.

Mit zunehmender Stromstärke hebt sich die Ag-Spur stärker vom Si-

Substrat ab.

Innerhalb einer Laserspur (von innen nach außen) sind auf den REM Bildern

keine markanten Strukturunterschiede zu detektieren.

Bildanalyse lässt Trend am Gefüge erkennbar werden

Größere Körner und weniger aber dafür größere Poren je näher am

Laserzentrum

Die Strukturausbildung, d.h. die Porosität zeigt Abhängigkeit von der

Stromstärke

3. Elektrische Charakterisierung

Das Sintern der Einzelpartikel zu größeren Ag Körnern ist ab einer Temperatur von

200°C für 30 min auf der Heizplatte durch REM Aufnahmen deutlich dokumentiert.

17

Der elektrische Widerstand wurde an allen Proben ermittelt. Ein deutlicher Unterschied

zwischen auf Heizplatte und mittels Laser gesinterten Schichten wurde durch die

elektrische Charakterisierung nachgewiesen.

Abbildung 17 Elektrische Charakterisierung an im Ofen und durch Laser gesinterte

CSD 32 Ag Leitbahnen

Aus den Diagrammen wird der Einfluss einer erhöhten Heizplattentemperatur auf den

elektrischen Widerstand deutlich. Mit steigender Temperatur sinkt der elektrische

Widerstand der 10 mm Leitbahnen von mehreren T nach dem Trocknen auf 39nach

250°C für 30min auf der HeizplatteSintert man die Strukturen für weitere 120min bei

250°C verringert sich die Leitfähigkeit nochmals bis auf 33. Es kann also

angenommen werden, dass ein Sintervorgang auf der Heizplatte bei 250°C ohne

zusätzliche Druckbeaufschlagung mehrere Stunden in Anspruch nimmt.

Die Widerstandsmessungen an den lasergesinterten Strukturen zeigen deutlich

schlechtere Sinterergebnisse. Auch bei maximaler Leistung von 700mW und einer sehr

geringen Verfahr Geschwindigkeit des Lasers von 1 mm/s liegt der Widerstand der 100

mm Leitbahn über 1000.

Aufgrund des Materialwechsels von CDS 32 auf SW1020 (japanischer Hersteller

Bando) wurden die Versuche zum Ofensintern erneut durchgeführt. Wie in Abbildung

18 dargestellt, wurden Testsamples mit der Ag Tinte hergestellt und bei konstanter

Temperatur T=140°C im Ofen ausgelagert. Der Widerstand der Leitbahnen wurde

gemessen und mit dem gemessenen Querschnitt der spez. Widerstand des gedruckten

Silbers ermittelt. Bereits bei der geringen Sintertemperatur konnte eine Leitfähigkeit

von > 30% gegenüber Bulk Silber erzielt werden. Die kleinen Partikeldurchmesser der

SW1020 gegenüber der CSD32 scheinen hier den Sinterprozess positiv zu beeinflussen

und zeigen die prinzipielle Eignung der SW1020 für ein

Niedertemperaturbondverfahren.

18

Abbildung 18 Elektrische Charakterisierung Bando SW1020 bei konst. Temperatur

über die Zeit

Vergleicht man die Bando Tinte mit der Tinte von SunChemical zeigt die SW1020

auch hier eine deutlich bessere Performance. SW1020 Ag Nanoink von Bando wurde

für die finalen Bondversuche auf Waferlevel genutzt.

Abbildung 19 Vergleich Spezifischer Widerstand Bando vs. Sunchemical

Erzielte Ergebnisse


- Schichten mit unterschiedlicher Qualität nach dem Sintern zur Ermittlung des

Sinterverhaltens der Ag Nanopartikel wurden hergestellt.

0,0000000

0,0200000

0,0400000

0,0600000

0,0800000

0,1000000

0,1200000

0,1400000

0,1600000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

spe

z. W

ide

rsta

nd

[Ω

*mm

2 /m

]

Zeit [min]

Spez. Widerstand Bando SW1020

0,0000000

0,1000000

0,2000000

0,3000000

0,4000000

0,5000000

0,6000000

0,7000000

0 2000 4000 6000 8000

Spe

z. W

ide

rsta

nd

[Ω

*mm

2/m

]

Zeit [min]

Vergleich Bando vs. Sunchemcial

Sunchemical

Bando

Festkörper

Silber

19

1.3. Teilziel/Arbeitspaket 3 „Charakterisierung der Schichtsysteme“

AP 3 ist ein zentrales AP der Charakterisierung. Zur besseren Verständlichkeit sind die

Analyseergebnisse in den entsprechenden Kapiteln direkt eingefügt. Im Folgenden wird

lediglich eine kurze Zusammenfassung gegeben.

Erzielte Ergebnisse


- Es konnten sehr gut gesinterte Schichten mittels Sintern auf einer Heizplatte erreicht werden. Der spezifische Widerstand solcher Ag Leitbahnen der CSD 32 liegt bei 13,8*10-6[S/m] (Berechnet aus dem gemessenen Querschnitt der gedruckten Leitbahn). Dies entspricht ca. 22% der Leitfähigkeit von massivem Silber. SW1020 liegt dabei deutlich > 30%. Es wird angenommen, dass eine weitaus bessere Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen erreicht werden kann. Bei den Versuchen konnte aber durch ein enormes Kornwachstum (nach dem Sintern waren die Leitbahnen teilweise unterbrochen, da die Schichtdicken zu gering waren) bedingt, die Leitfähigkeit nicht zahlenmäßig bestimmt werden.

- Der Energieeintrag des IR Lasers auf dem SiO2 Substrat war zu gering, um gute Leitfähigkeiten zu erreichen

- IR Lasersintern führt bei derzeitigen Bedingungen mit vorhandenem Equipment zur Rissbildung in den Schichten

- Die Bildanalyse am Querschnitt ist ein geeignetes Verfahren, um die Gefügebildung beim Lasersintern und die Effekte des Energieeintrages zu beobachten.

- Das Sintern der Einzelpartikel zu großen Ag Körnern ist für das geplante Projektziel einer Fügeverbindung bei Temperaturen < 250°C äußerst vielversprechen

- SW 1020 Ag Tinte wurde für die finalen Fügeversuche favorisiert: Verfügbarkeit im Gegensatz zu CSD 32 gegeben und Sinterverhalten im Vergleich zu Sunchemical vorteilhaft.

1.4. Teilziel/Arbeitspaket 4 „Durchführen von Bondtests“















3.4 HRTEM-Aufnahmen









…an den pbA

Personal Σ




MS1 MS2 SB















3.4 HRTEM-Aufnahmen









…an den pbA

Personal Σ




MS1 MS2 SB















3.4 HRTEM-Aufnahmen









…an den pbA

Personal Σ




MS1 MS2 SB















3.4 HRTEM-Aufnahmen









…an den pbA

Personal Σ




MS1 MS2 SB

20

1. Entwurf erster Teststrukturen für das Bonden und Fügeversuche an Al, Au und

Cu Haftvermittlerschichten mit CSD 32 Ag Tinte

Erste Teststrukturen wurden im Projekt für das Bonden entworfen. Dabei sollen

Bondrahmen und so genannte Chevron Strukturen erzeugt werden. Für die

Untersuchungen wurden 4 Zoll Silizium Substrate hergestellt. Um die Haftfestigkeit

und den Fügevorgang für unterschiedliche Untergründe zu bewerten, wurden oxidierte

Silizium Wafer mit 100 nm Au Dünnschicht, Wafer mit 100 nm Cu Dünnschicht und

Wafer mit 100 nm Al Dünnschicht hergestellt.

Tabelle 6 Übersicht Proben für erste Fügeversuche

Bezeichnung Substratoberfläche

8 x 4“ Si Wafer Haftschicht + 100 nm Gold

8 x 4“ Si Wafer Haftschicht + 100 nm Kupfer

8 x 4“ Si Wafer Haftschicht + 100 nm

Aluminium

Anschließende erste Fügeversuche wurden in einem Substratbonder der Firma EVG

durchgeführt. Abbildung 20 Gesamtprozessablauf zeigt den Prozessablauf schematisch.

Abbildung 20 Gesamtprozessablauf

Die ermittelten Prozessparameter aus AP 1 wurden genutzt, um 100 µm breite

Bondrahmen aus Ag Nanopartikel auf dem Substrat abzuscheiden.

Die Bondrahmen haben Abmessungen von 4mm x 4mm in Breite und Länge und eine

Höhe von 1µm. Nachfolgende Tabelle 7 gibt einen Überblick über die Druckparameter

und anschließenden Bondparameter. Die Bondrahmen wurden bei 70°C

Substrattemperatur gedruckt, um ein Verlaufen (Bleeding) der beim Auftreffen auf das

Substrat nassen Tinte zu vermeiden.

21

Bondrahmen auf Cu

Haftvermitttler

Bondrahmen auf Au

Haftvermitttler

Bondrahmen auf Al

Haftvermitttler

Abbildung 21 Bondrahmen gedruckt auf Al, Cu und Au Haftvermittlerschichten auf 4

Zoll Si Wafersubstraten

Da das Gefüge Wachstum im Wesentlichen zum Ausbilden der Bondverbindung

genutzt werden soll, wurden die gedruckten Strukturen keiner zusätzlichen

Nachbehandlung unterzogen. Im Nachfolgenden Bondprozess wurde ein Gegenwafer

(gleicher Haftvermittler) gegen den bedruckten Wafer mit 80GPa bei 300°C im Vakuum

gefügt.

Tabelle 7 Parameterübersicht Bondversuche an verschiedenen Haftvermittlern

(Au,Al,Cu)

Druckparameter

Substrattemperatur 70°C

Tinte CABOT CSD 32

Nachbehandlung Kein zusätzliches Sintern

Bondparameter

Bonddruck 80GPa

Vakuum 10-4mbar

Bondtemperatur 300°C

Bondzeit 30min

Im Verlauf des Bondvorgangs konnte ein Ausgasen (Einbruch des Vakuums in

Prozesskammer) bei ansteigender Temperatur beobachtet werden. Um dies zu

kompensieren wurde ein zusätzlicher Heizschritt (150°C, 15min) beim Bondprozess

eingeführt. Der optimierte Bondprozess ist in dargestellt.

Abbildung 22 Optimierter Bondprozess

22

Alle drei Benetzungslayer zeigten nach dem Bond eine ausreichende Bondverbindung,

sodass die Wafer mit einem Raster von 10 mm x10 mm gesägt wurden, um

nachfolgende Analysen des Interfaces vorzunehmen. Bereits beim Sägen zeigten sich

die Unterschiede in der Haftfestigkeit der Ag Zwischenschicht gegenüber den

Haftvermittlern. Es konnte eine Sägeausbeute von 0% an den Al Haftvermittlern, von

0% an den Au Haftvermittlern und von 82% an den Cu Haftvermittlern festgestellt

werden (siehe Abbildung 23).

Sägeausbeute an Cu

Haftvermitttler

Bondrahmen an Au

Haftvermitttler

Bondrahmen Al

Haftvermitttler

Abbildung 23 Sägeausbeute 4 Zoll Substrate

Die 0% Ausbeute an den Al Haftvermittlern lässt sich durch die stabile Oxidverbindung

auf dem Al erklären. Hier bildet sich bereits nach kurzer Zeit an Luft eine dünne

Oxidschicht, welche nur bei sehr hohen Drücken aufgebrochen werden kann. Dieses

Ergebnis wurde erwartet und die Bondversuche zu Al Haftvermittlern dienen lediglich

als Referenz-/Vergleichsprobe. Durch die schlechte Haftung des gedruckten Silbers auf

dem AlO2 eignet sich Al nicht als Haftvermittler und wird in folgenden Untersuchungen

nicht weiter betrachtet. Die geringe Haftfestigkeit kann allerdings für andere Zwecke

genutzt werden, sodass z.B.: Materialproben auf AlO2 gedruckt und gesintert und

anschließend abgelöst werden können. Eine Anwendung kann hier in der

Materialdatenanalyse für Ag Sinterschichten gefunden werden – hierbei werden dünne

Proben < 10 µm für thermomechanische Tests benötigt.

Die geringe Ausbeute am Au Benetzungslayer kann nicht über oberflächige Oxide

erklärt werden. Auch wurde hier ein Vergleichbares Ergebnis zum Cu erwartet. Für

weiterführende Analysen wurden einzelne Chips eingebettet und für

Querschliffanalysen aufbereitet. Im Querschliff sind 4 Bondrahmen aus Ag sichtbar.

Abbildung 24 zeigt eine präparierte Probe mit den 4 Bondrahmen und dem Luftspalt.

Der Benetzungslayer ist im Mikroskop aufgrund der geringen Dicke (100nm) nicht

erkennbar.

Abbildung 24 Überblick Querschliff Präparation

23

Im Projekt wurde die Präparation der Schliffe mittels Ionenstrahlpolieren als schnelle

Vorbereitungstechnologie für Rasterelektronenmikroskop Aufnahmen an den

Schichten getestet. Es zeigte sich allerdings, dass die porösen Ag Strukturen den

Einsatz dieser Methode nicht zulassen, sodass auf aufwändige FIB Präparation

zurückgegriffen wurde (siehe Vergleich der Querschnitte nach Ionenstrahlpolieren

und FIB - Abbildung 25). In folgenden Untersuchungen wurden alle Proben mittels

FIB präpariert.

Ionenstrahlpolieren an Schliff FIB an Schliff

Abbildung 25 Vergleich Ionenstrahlpolieren und FIB an gesinterten Ag

Nanopartikelzwischenschichten

Vergleicht man die Querschliffe von Au und Cu Haftvermittlerproben wird die

geringe Ausbeute an den Au gegenüber Cu erklärbar (siehe Abbildung 26). Es zeigt

sich, dass ein deutlicher Materialtransfer des gedruckten Silbers (es wurde nur ein

Wafer mit Ag Nanopartikel beschichtet) auf beide Seiten des Verbundes, wobei ein

Riss im Ag Interface sichtbar ist. Die Rissbildung kann generell durch zwei

Phänomene beschreiben werden I. Spannung nach dem Bond im Interface führen

zum Riss oder II. Krafteintrag beim Sägen führt zu Rissen. Bei Cu als Haftvermittler

zeigt sich eine nur partielle Verbindung des Silbers mit dem Kupfer – dies erklärt

die Ausbeute nach dem Sägen < 100%. Nach dem Bond bei 300°C zeigt sich eine

deutliche Gefüge Änderung. Auch ist das Gefüge nicht direkt mit den Ergebnisse

aus AP 2 vergleichbar, da bei den Bondversuchen mit Druck (80GPa) gesintert

wurde und die Gefüge Analysen in AP2 an drucklos gesinterten Proben

durchgeführt wurden. Gegenüber dem Drucklosen Sintern zeigt sich ein deutliches

Kornwachstum der Ag Körner, wobei Poren im Bereich zwischen den Körnern

zurückbleiben und den angestrebten hermetisch dichten Bond mit Ag

Nanopartikelschichten in Frage stellen.

Abbildung 26 Querschliffe an Au und Cu Haftvermittler mit CSD 32 Ag

Zwischenschichten

24

Weitere Bondversuche mit optimierten Randbedingungen wurden an Cu und Au

Haftvermittlern auf 4 Zoll Si Wafern durchgeführt. Um die Verspannungen beim

Bonden auszugleichen wurden Graphitplatten zwischen Wafer und Bondtool

eingelegt. Für die beschrieben Versuche wurde von CSD 32 Ag Ink auf Bando

SW1020 Ag Tinte gewechselt, da erstere nicht mehr bezogen werden konnte. Die

Bondkraft wurde bei nachfolgenden Versuchen bis zum Abkühlen auf

Raumtemperatur aufrechterhalten, um eventuelle Vorwölbungen der Wafer beim

Abkühle zu kompensieren.

2. Optimierung Fügeversuche 4 Zoll an Au und Cu Haftvermittlerschichten mit

Bando SW1020 Ag Tinte

Analog zu den oben beschriebenen Bondversuchen wurden 4 Zoll Si Wafer mit

Au und Cu Haftvermittler beschichtet und mittels Ag Nanopartikeltinte in Form

von 4mm x 4mm Bondrahmen beschichtet. Die Bondrahmenbreite und Höhe

wurde variiert um einen eventuellen Einfluss dieser zu ermitteln. Auch wurde das

Design der Bondrahmen angepasst (mit abgerundeten Ecken), um einen stabileren

Druckprozess zu ermöglichen. Tabelle 8 gibt einen Überblick aller Parameter.

Tabelle 8 Prozessparameter Druck und Bond mit SW1020 Tinte von Bando

Druckparameter

Substrattemperatur 70°C

Tinte Bando SW1020

Nachbehandlung Kein zusätzliches Sintern

Rahmenbreite 85µm Au / 100µm bei Cu

Rahmenhöhe 2,5µm bei Au / 4µm bei

Cu

Bondparameter

Bonddruck 80GPa

Vakuum 10-4mbar

Bondtemperatur 300°C

Bondzeit 30min

Bei beiden Varianten (Au und Cu als Haftvermittler) konnten durch die

Optimierungen und den Einsatz der SW1020 Ag Tinte deutlich verbesserte

Bondergebnisse erzielt werden. Zum Vergleich ist der verwendetet Bondprozess

in dargestellt.

25

Abbildung 27Erweiterter optimierter Bondprozess

Nach dem Sägen im 10x10mm2 mm Raster konnte eine Ausbeute von 100% für

Au und Cu Haftvermittller erreicht werden (Abbildung 28).

Übersicht Wafer nach dem Vereinzeln im 10x10mm2 Raster. 4 Stück 4x4mm2

Bondrahmen pro Chip

Sägeausbeute Au-Ag-Au Bond

300°C mit SW1020 Ag Tinte

Sägeausbeute Cu-Ag-Cu Bond 300°C

mit SW1020 Ag Tinte

Abbildung 28 Sägeausbeute 4 Zoll Wafer mit SW1020 Ag Tinte als

Zwischenschicht, 300°C Bondtemperatur für Au und Cu Haftvermittler

26

Mittels Schliffpräparation an A-A durch 2 von den 4 Bondrahmen (Abbildung 29)

und FIB konnten aussagekräftige Querschliffe für die Bewertung im REM erzeugt

werden.

Abbildung 29 Optimierte Schliffpräparation

Die Analyse zeigt eine komplette Anbindung der Ag Zwischenschicht an beide

Haftvermittler. Die Anbindung des Silbers bildet sich dabei unterschiedlich

zwischen Au und Cu aus. Für Gold ist eine Diffusion zwischen Ag und Au durch

energiedispersive Röntgenspektroskopie EDX feststellbar. Die Diffusion des

Haftvermittlers ist eine mögliche Ursache dafür, dass sich auch das Gefüge deutlich

anders ausprägt. An Wafern mit Au Haftvermittler sind weniger aber dafür größere

Poren erkennbar. An Wafern mit Cu Haftvermittler ist ein deutlicher Unterschied

im Gefüge zwischen bedruckter Waferoberfläche und gegen-gebondeter

Waferoberfläche erkennbar. Da beim Drucken der Ag Zwischenschicht auf 70°C

heiße Substrate gedruckt wurde, kann dies im Interface bereits zu einem Sintern

der Partikel führen.

Au-Ag-Au Interface Cu-Ag-Cu Interface

Abbildung 30 Querschliffe an Au und Cu Haftvermittler mit SW1020 Ag

Zwischenschichten

Die Diffusion zwischen Haftvermittler und Ag Nanopartikelzwischenschicht

wurde durch EDX analysiert. An gezeigten Querschliffen (Abbildung 30) wurden

Linescans über die Schichten durchgeführt und die Verteilung der

Materialzusammensetzung ausgewertet. Wie in erkennbar gibt es eine deutliche

Diffusion zwischen Au und Ag und eine Mischung der Atome.

27

Abbildung 31 EDX an Au-Ag-Au Interface nach 300°C, 30min Bond

Es zeigt sich deutlich, dass Gold auch im Bereich der Ag Zwischenschicht

detektiert wurde und Silber nahe der Diffusionsbarriere SiO2 auffindbar ist. Ein

Mapping (Abbildung 32) über eine größere Fläche und anschließendes einfärben

der Bereiche zeigt verdeutlicht diesen Effekt.

Abbildung 32 EDX Mapping an Au-Ag-Au 300°C, 30min Bond mit SW1020 Ag

Nanopartikeln

Die Versuche wurden für einen Vergleich am Cu-Ag-Cu Interface durchgeführt.

Die scharfe Trennung der Materialien spricht hier gegen eine Diffusion (Abbildung

33).

28

Abbildung 33 EDX an Au-Ag-Au Interface nach 300°C, 30min Bond

Durch die beschriebenen Ergebnisse konnte erstmals ein Waferlevelbondverfahren

mit gedruckten Ag Nanopartikeln nachgewiesen werden. Ziel des Projektes war

eine deutliche Abgrenzung hinsichtlich bekannten metallbasierten Wafer Level

Bondverfahren wie Cu-Cu Thermokompressionsbonden (>350°C), Al-Al

Thermokompressionsbonden (<400°C) oder Si-Au eutektisches Bonden (360°C)

welche für die 3D Integration derzeit entwickelt oder bereits genutzt werden. Mit

der Ag Bondzwischenschicht konnte im Projekt bereits ein erfolgreicher Bond bei

300°C gegen Cu oder Au gezeigt werden, wobei eine ausreichende Festigkeit

gegenüber einem Sägeprozess mit 100 µm breiten Bondrahmen erreicht wurde. Der

Ag Materialtransfer von bedruckter auf unbedruckte Waferoberfläche kann an

gebrochenen Chips nach dem Zugversuch verdeutlicht werden (Abbildung 34).

29

Abbildung 34 Materialtransfer von bedruckter Waferoberfläche auf unbedruckten

Wafer nach dem Bond. Chip nach Zugversuch

Die Bondfestigkeit der Cu und Au Haftvermittlerproben wurde mittels

Mikrozugtest bewertet und ist in dargestellt und liegt im Bereich < 10 MPa. Die

geringe Zugfestigkeit kann durch den nicht 100% Strukturübertrag erklärt werden

und ist somit mit einem Fehler in der Rechnung (angenommen Bondrahmenbreite

100µm) behaftet. Die finale Festigkeit muss an realen Anwendungen erneut

bewertet werden.

Abbildung 35Zugfestigkeit an Cu und Au Haftvermittlern bei 350°C und 300°C.

Weiterführende Untersuchungen beschreiben die Prozessanpassung für das Fügen

von strukturierten 6 Zoll Wafern und die Betrachtungen hinsichtlich der

hermetischen Dichtheit des entwickelten Bondverfahrens.

3. Optimierung Fügeversuche 6 Zoll an Au Bando SW1020 Ag Tinte

Für Versuche zur Dichtheit solcher Ag basierten Fügeschichten wurde Si 6 Zoll

Wafer präpariert. Sowohl der Grundwafer (zu bedrucken) als auch der

Kappenwafer wurden mit 100µm breiten Au beschichtet. Der Kappenwafer besitzt

30

eine Kavität (restdicke der verbleibenden Si Membran 100µm) für spätere

Dichtheitsbewertungen nach dem Bonden mittels optischer Analysen. Der

Gesamtprozessablauf ist vereinfacht in Abbildung 36 dargestellt.

1. Si Wafer 6 Zoll

2. Oxidation thermisch

3. Nitridabscheidung (Maskierung)

4. Fotolack aufschleudern

5. Fotolack strukturieren

6. Nitrid und Oxid über Lackmaske

öffnen

7. Nassätzen Silizium über Nitrid- /

Oxidmaske

8. Reinigung und Oxidenfernung +

Oxidation thermisch

9. Sputtern Haftvermittler Au

10. Lack aufbringen und

Haftvermittler strukturieren

11. Drucken Ag Nanopartikel

(SW1020) auf Haftvermittler

Bondrahmen

12. Bonden gegen Kappenwafer

Abbildung 36 Vereinfachter Prozessablauf 6 Zoll Wafer

Abbildung 37 gibt zeigt einen Wafer mit Kavitäten nach dem Prozessdurchlauf vor

Schritt 12 (Bonden)

Abbildung 37 Überblick 6 Zoll Wafer nach dem bedrucken mit SW1020 Ag Ink

Im Gegensatz zu den vollflächig mit Haftvermittler beschichteten 4 Zoll Wafern

müssen bei diesem Design die 100µm mit der Aerosol-Jet Technologie alignment-

treu bedruckt werden. Die Bondrahmenbreite der gedruckten Strukturen wurde

dabei auf < 100µm eingestellt, um einen eventuellen Alignmentversatz ausgleichen

zu können (siehe Abbildung 38 ).

31

Abbildung 38 Bondrahmen Haftvermittler Au und gedruckter breiterer Ag

Bondrahmen

Die so hergestellten Wafer wurden für Optimierungen des Bondprozesses genutzt.

Die Bondtemperatur wurde auf 250°C bzw. 200°C herabgesetzt. Um den

Zwischenschichten genügend Zeit zur Diffusion bei den verringerten

Temperaturen zur Verfügung zu stellen, wurde die Bondzeit auf 60 min erhöht.

Abbildung 39 Überblick Querschliff Einzelchip (2 Kavitätswafer) mit Ag SW1020

Nanopartikelzwischenschichten und Detailaufnahme (REM) an Bondrahmen bei

250°C, 60 min Bond

An den Bondrahmen wurden wiederrum FIB Präparationen für Analysen

angefertigt. Abbildung 39 zeigt einen Einzelchip nach dem Fügen und eine

Detailaufnahme der Bondrahmen. Wie an der Aufnahme zum Einzelchip

erkennbar konnten die Verbünde mittels Wafersägen in Chips gesägt werden,

wobei eine Ausbeute nach dem Sägen von 100% für 250°C und 200°C

Bondtemperatur erreicht werden konnte. Das Interface Au-Ag-Au wurde mittels

FIB Präparation und REM Analysen bewertet und zeigt, dass ein Waferlevelbond

von 6 Zoll Substraten in der Mikrosystemtechnik mit Ag Nanopartikelschichten

bei 200°C möglich ist.

32

Au-Ag-Au Interface nach Bond 250°C,

60 min

Au-Ag-Au Interface nach Bond

200°C, 60 min

Abbildung 40 Interface gebondeter Wafer an 100µm breiten Bondrahmen.

Interface Au-Ag-Au

Wie bereits in AP 1 und AP 2 beschrieben wirkt sich die Temperatur auf die

Gefügebildung der Ag Zwischenschicht aus. Im Interface Au-Ag-Au sind rel.

große Poren in der Ag Nanopartikelzwischenschicht erkennbar (siehe Abbildung

40). EDX Analysen am Interface nach 200°C Bondtemperatur für 60 min zeigen,

dass eine Diffusion der Atome nur noch in den Bereichen des direkten Kontaktes

zwischen Au und Ag stattfindet und wesentlich geringer Ausfällt wie bei 300°C

(siehe Abbildung 41 ).

Abbildung 41 EDX Linescan am Au-Ag-Au Interface nach 200°C, 60min Bond

Erzielte Ergebnisse


- Teststrukturen (DXF Files) für Bondversuche in Form von Bondrahmen und Chevron Keilen wurden entworfen

- Substrate mit Au, Cu und Al Dünnschichten für anschließendes Bedrucken und Fügeuntersuchungen wurden hergestellt

- Bondversuche mit CSD32 und SW1020 Ag Tinte durchgeführt auf 4 Zoll

33

o SW1020 ermöglicht erstmals stabilen Waferlevelbondprozess mit Ag Zwischenschicht gegenüber Au und Cu

- Analysen zum Interface nach 300°C, 30min Bondtemperatur - Überführung der Ergebnisse auf 6 Zoll mit Au Haftvermittlern

o Anpassung Druckprozess für genaues Alignment o Absenken der Fügetemperatur auf 200°C

- Analysen zum Interface nach 250°C/200°C, 60min Bondtemperatur - Bondverfahren mit metallsicher Zwischenschicht bei 200°C

2. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit und Zusammenfassung

Die durchgeführten Arbeiten vereinen den Charakter von Grundlagenuntersuchungen und

Anwendungsnahen Prozessen und Analysen zum Druckprozess von Silbernanopartikeln auf

Substraten der Mikrosystemtechnik. Im Projektverlauf wurde die Entwicklung eines

Fügeprozesses mit Nanopartikelzwischenschichten bei 200°C auf Waferlevel erarbeitet. Die

Untersuchungen zeigen die Eignung des Aerosol-Jet Verfahrens, um Bondrahmen mit breiten

kleiner 100 µm herstellen auch auf 6 Zoll Substraten mit vielen hunderten Strukturen herstellen

zu können. Neben dem erfolgreichen Erarbeiten des Bondverfahrens konnte eine Vielzahl

weiterer Demonstratoren hergestellt werden und die Eignung des Aerosol-Jet Prozesses für die

Metallisierung verschiedener Substrattypen gezeigt werden. Unter anderen wurden LED´s auf

flexiblen Substraten kontaktiert, Keramikgehäuse und Kupferkühlkörper mit Ag Bondrahmen

beschichtet, Multilagenaufbauten aus Ag und Dielektrikum demonstriert und Leitbahnen auf

diversen Substraten erzeugt. Die Untersuchungen zum Sinterverhalten sind detailliert

durchgeführt und ermöglichen auch bei weiteren Projekten oder Anwendungen eine gute

Abschätzung für den Einsatz von nanoskaligen Partikeln für diverse Anwendungen. Das gute

Sinterverhalten der Ag Nanopartikel der SW1020 Tinte des japanischen Herstellers Bando bei

Temperaturen ab 120°C scheint ist für einen Waferlevelbondprozess bei 200°C nutzbar, wobei

Au Benetzungslayer notwendig sind. Neben Au als Benetzungslayer wurde Kuper und

Aluminium untersucht.

2.1. Ausblick

Die im Projekt NASE erarbeiteten Grundlagen können genutzt werden, um neuartige

Anwendungen im Packaging von Komponenten der Mikroelektronik zu realisieren. Es können

leitfähige Verbindungen bei 200°C auf Waferlevel hergestellt werden. Diese Ergebnisse sind

wie in den Demonstratoren in AP1 gezeigt auch auf andere Substratdimensionen (z.B.:

Chiplevel Fügen) übertragbar und können von den Mitgliedern des pbA für die Erschließung

neuer Produkte genutzt werden. Im Projekt war das ZFM der TU Chemnitz auf Ag Nanopartikel

limitiert – da eine Vielzahl von Nanopartikeln schon heute kommerziell als Tinte zur Verfügung

steht können die Ergebnisse aus dem Abscheideversuche auf eine Vielzahl von weiteren

Anwendungen übertragen werden.

3. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft

Tätigkeit Rahmen Datum Status

Transfer der

Projektergebnisse in die

AiF-

Forschungsvereinigung

Fachausschuss 10 -

Mikroverbindungstechnik

(jährlich 2012-

2015)

erledigt

Fachvortrag Chemnitzer Seminar -

Nanotechnology,

26.Juni.2013

erledigt

34

Nanomaterials and Nano

reliability

GMM Workshop 2012

Waferbondworkshop

2013, Chemnitz 2013

GMM Workshop 2014

Semicon China CSTIC

2015

2012

2013

2014

März 2015

erledigt

erledigt

erledigt

erledigt

Ausstellung auf Messen

zur direkten Ansprache

interessierter

Unternehmen

Hannover Messe

LOPE-C

Semicon Europe

Semicon China

2014

2014

2013

2015

Erledigt

Erledigt

Erledigt

Erledigt

Anfertigen eines

Datenblattes für die

Aerosol-Jet Technologie

Interessierte Unternehmen

direkt informieren

laufend erledigt

Herstellen von

Demonstratoren für

Messen

laufend erledigt

Veröffentlichung in

Fachzeitschriften

Schweißen und Schneiden

Mikroproduktion

Ab Mitte 2015 geplant

Veröffentlichungen im Projekt:

Frank Roscher, Tobias Seifert, Maik Wiemer, Thomas Gessner: "Additive Manufacturing for

zero and first level packaging of Electronics and MEMS using Aerosol-Jet Deposition of

Metal Nanoparticles"; CSTIC 2015 - Semicon China; March 2015

Roscher, F.; Seifert.,T.; Vogel, K.; Wiemer, M.; Gessner, T.: Abscheidung von Ag

Nanopartikel Zwischenschichten für das Wafer- und Chip-level Packaging; Mikro-Nano-

Integration – 5. GMM – Workshop; Tagungsband: Mikro-Nano-Integration (GMM-FB 81);

2014

Frank Roscher, Tobias Seifert: "Printing Technologies as novel tools for advanced Systems

Packaging"; Chemnitzer Seminar; 2014

Frank Roscher, Jörg Bräuer, Mario Baum, Jan Besser, Tobias Seifert, Maik Wiemer, Thomas

Gessner: Nanotechnologien im Packaging – Neue Materialien und Verfahren für die

Mikrosystemtechnik; Mikro-Nano-Integration - 4.GMM - Workshop; Tagungsband: Mikro-

Nano-Integration (GMM-FB-74); 2012

M. Müller, F. Roscher, E. Sowade, T. Seifert, M. Wiemer, T. Gessner, R.R. Baumann:

"Aerosol Jet as a Deposition Method for Conductive Layers in Micro-System-Technology

35

using Nanoparticle Inks"; Printing Future Days 2011, 7-10 November 2011, Chemnitz. -

Berlin : VWB - Verlag für Wissenschaft und Bildung, 2011, S. 275 - 281

Durchgeführte Arbeiten - ZfM

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