Technisches GebietTechnical area
DieErfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtungzum stoffschlüssigen Fügen von wenigstens zweimetallischen Anschlussstrukturen, die jeweils über einenebenen oder gekrümmten Kontaktflächenbereich verfügen,von denen wenigstens ein Kontaktflächenbereich übereine dem Kontaktflächenbereich zuordenbare Kontaktflächemit erhabenen Mikrostrukturelementen verfügt, bei dem beideAnschlussstrukturen gegenseitig derart in Kontakt gebracht werden,dass sich Stoffverbindungen zumindest zwischen den Mikrostrukturelementen undder gegenüberliegenden Anschlussstruktur ausbilden.TheThe invention relates to a method and a devicefor cohesive joining of at least twoMetallic connection structures, each with ahave flat or curved contact surface area,of which at least one contact surface area overa contact surface assignable to the contact surface areawith raised microstructure elements, in which bothTerminal structures are brought into contact with each other in such a waythat substance compounds at least between the microstructure elements andform the opposite connection structure.
Stand der TechnikState of the art
ZurHerstellung höchstintegrierter Mikroelektronikkomponentenund Systeme werden mit wachsender Funktionsdichte auf einem Chiphochdichte Verdrahtungsstrukturen und Umverdrahtungen zur elektrischenKontaktierung des Chips oder des integrierten Schaltkreises benötigt.Hierzu stehen heutzutage Integrationsansätze in der Mikroelektronikzu Verfügung, die schlagwortartig als „Systemsin Package” (SIP) oder „Systems an Package” (SOP)abgekürzt werden und technisch im Wesentlichen zwischender monolithischen On-Chip-Integration in einem Stück Siliziumund der On-Board-Integration diskreter Bauelemente auf einer Leiterplatteanzusiedeln sind. Die gestiegenen Anforderungen an die Miniaturisierungder dabei eingesetzten Chipmodule führten zur Entwicklungenbspw. von Chip Size Packages (CSP), bei dem das Chip-Gehäusenur unwesentlich größer ist als der Chip selbst,siehe auch
ZuZwecken einer zuverlässigen und dauerhaften elektrischenund zumeist auch mechanischen Verbindung insbesondere von mikroelektronischen Komponentenuntereinander sowie integrierten Schaltkreisen auf Halbleiter-Chipso. ä. bedient man sich in an sich bekannter Weise entwederDrahtbond-Techniken und deren Varianten, Wedge-Bonden, Ball-Bonden,Bändchenbonden, oder Reihen oder Arrays einander zugewandterund sich so geometrisch zumindest teilweise überlappenderChipanschlussflächen, so genannte Kontaktpads, auf oder zwischendenen geeignete elektrisch leitende Hilfsstoffe aufgebracht werden.ToFor a reliable and durable electricaland usually also mechanical connection in particular of microelectronic componentsamong themselves as well as integrated circuits on semiconductor chipso. Ä. Used in a known manner eitherWire bonding techniques and their variants, wedge bonding, ball bonding,Ribbon bonding, or rows or arrays facing each otherand thus geometrically at least partially overlappingChip pads, called contact pads, on or betweenwhich suitable electrically conductive auxiliaries are applied.
AlsHilfsstoff kann auf den Chipanschlussflächen zumindesteines der Fügepartner ein umschmelzendes Lot, bzw. einArray von Lotdepots, so genannten Solder Bumps, die z. B. ein BallGrid Array (BGA) bilden, aufgebracht sein. Ebenso könnengalvanisch abgeschiedene Metallhöcker (Bumps) oder so genannteStümpfe (Stud- Bumps) eines oder mehrerer übereinanderplatzierter Drahtbond-Balls den Kontakt zwischen den Fügepartnernohne zusätzliches Lotdepot vermitteln.WhenExcipient may be on the chip pads at leastone of the joining partners a remelting solder, or aArray of solder deposits, so-called solder bumps, the z. B. a ballGrid array (BGA) form, be applied. Likewisegalvanically deposited metal bumps (bumps) or so-calledStumps (stud bumps) of one or more on top of each otherplaced wire bond balls the contact between the joining partnerswithout additional solder depot mediate.
Inso genannten bump-losen (bumpless) Flip-Chip-Techniken wird häufigein überbrückendes leitfähiges Materialvorgesehen, z. B. in Form eines isotrop leitfähigen Klebers.Ebenso können überbrückende leitfähigePartikel im Falle anisotrop elektrisch leitender Kleber zwischenden Anschlussflächen beider zu kontaktierender Partnerdauerhaft fixiert werden. Alle auf der Justage eines umgedrehten,d. h. „geflippten” Chips mit oberflächligenAnschlussflächen und entsprechend passenden Kontaktflächenbasierenden Kontaktierungsverfahren werden unter dem SammelbegriffFlip-Chip Technik zusammengefasst.Inso-called bump-less (bumpless) flip-chip techniques become commona bridging conductive materialprovided, z. B. in the form of an isotropic conductive adhesive.Likewise, bridging conductiveParticles in case of anisotropic electrically conductive adhesive betweenthe pads of both partners to be contactedpermanently fixed. All on the adjustment of an upturned,d. H. "Flipped" chips with superficialConnection surfaces and corresponding matching contact surfacesbased contacting methods are under the collective termSummarized flip-chip technology.
BeimFügen von und auf ungetrennten Wafern spricht man gemeinhinvom Wafer-Bonden. Die zu Grunde liegenden Prinzipien sind grundsätzlich diegleichen, d. h. Erzielen eines stoffschlüssigen Kontakteszwischen zwei Fügepartnern für die mechanischeVerbindung, für die Leitung des elektrischen Stromes und/oderder thermischen Energie.At theJoining of and on unseparated wafers is commonly calledfrom wafer bonding. The underlying principles are basically thesame, d. H. Achieving a cohesive contactbetween two joining partners for the mechanicalConnection, for the conduction of the electric current and / orthe thermal energy.
Diefür metallurgisch stoffschlüssiges Fügen, d.h. Sonden mittels Umschmelzen von Lotdepots oder das flußmittelfreieBonden von Stud-bumps auf Kontaktpads notwendige Energie kann zusätzlich zumaufgewendeten Druck mittels kurzzeitig gesteigerter Temperatur undzusätzlichem lokal eingekoppelten Ultraschall am Fügewerkzeug(Flip-Chip-Sonder, Waferbonder etc.) bereitgestellt werden. EntsprechendeTechniken werden als thermisches Kompressionsbonden (thermocompressionbonding) und thermosonisches Kompressionsbonden (thermosonic compressionbonding – TCB) bezeichnet.Thefor metallurgically cohesive joining, d.H. Probes by remelting solder deposits or flux-freeBonding of stud-bumps on contact pads necessary energy can in addition toapplied pressure by means of temporarily increased temperature andadditional locally coupled ultrasound at the joining tool(Flip-chip special, wafer bonder, etc.) are provided. AppropriateTechniques are called thermal compression bonding (thermocompressionbonding) and thermosonic compression bonding (thermosonic compressionbonding - TCB).
Daentweder die eingesetzten Halbleitermaterialien selbst oder aufihnen befindliche Komponenten oder die mit ihnen zu verbindendenTräger oder Substrate, z. B. als Polymerfolien gegenübereiner Temperaturbelastung oder Druckbelastung empfindlich sind,ist zur Erweiterung der Einsetzbarkeit der Flip-Chip-Technik eineErniedrigung der zum Bonden notwendigen Energie, insbesondere derthermischen Energie aber auch der Ultraschallenergie erstrebenswert.Beides gestattet gleichzeitig eine Steigerung des Durchsatzes gegenüberetablierten FC Verfahren. Verfahren unterhalb 300°C werdenin diesem Zusammenhang als Niedertemperatur-Verfahren bezeichnet.Thereeither the semiconductor materials used themselves or oncomponents or components to be connected to themCarriers or substrates, e.g. B. as polymer filmsare sensitive to a temperature load or pressure load,is to expand the usability of the flip-chip technology aHumiliation of the energy required for bonding, in particular thethermal energy but also the ultrasonic energy desirable.Both allow at the same time an increase in throughput overestablished FC procedures. Procedures below 300 ° Creferred to in this context as a low-temperature process.
DieChipanschlußflächen sowie die zu diesen korrespondierendenKontaktflächen, so genannte landing pads oder footprints,weisen eine dem jeweiligen Bondverfahren angepasste Oberflächengüteauf und sind matt oder glänzend. Insbesondere die Größeeingesetzter Lotbumps und damit das Lot-Volumen müssenauf die Größe der miteinander zu kontaktierendenAnschlussflächen abgestimmt werden. Die währenddes Umschmelzens auf das geschmolzene Lot wirkenden Kapillarkräfteführen zum Kontakt der einander gegenüber liegendenKontaktflächen, der beim Erstarren fixiert wird. Insbesondere beigroßflächigen BGA besteht die Herausforderung darin,alle korrespondierenden pads des Arrays zuverlässig miteinanderzu verbinden. Ungleichmäßigkeiten in der Größeder Kontaktflächen oder des Lotvolumens könneneine zuverlässige und dauerhafte Kontaktausbildung verhindern.TheChip pads and the corresponding to theseContact surfaces, so-called landing pads or footprints,have a surface quality adapted to the respective bonding processon and are dull or shiny. Especially the sizeused Lotbumps and thus the solder volume muston the size of each other to be contactedMatching surfaces are matched. The whileremelting capillary forces acting on the molten solderlead to contact of the opposite onesContact surfaces, which is fixed when solidifying. Especially atlarge-area BGA, the challenge is toall corresponding pads of the array reliably togetherconnect to. Inconsistencies in sizethe contact surfaces or the solder volume canprevent a reliable and lasting contact education.
Darüberhinaus sind auch substrukturierte Anschlussflächen bekannt.Für Cu, Pd, und Cu-Pd-Legierungen wurden einseitig Dendriteauf dem landing pad für die Ausbildung reversibler mechanischerVerbindungen vor dem Umschmelzen einer damit in Kontakt gebrachtenLotkugel vorgeschlagen, siehe
Umdurchgehend rauhe Landings für BGA's beim flussmittelfreienFlip-Chip-Bonden (FCB) zu erzeugen, kann das Basismaterial vor derMetallabscheidung chemisch oder mechanisch aufgeraut werden, siehe
EineSubstrukturierung der Kontaktflächen mittels regelmäßigangeordneten Strukturen, wie z. B. Säulen oder Stäbchen,siehe
Bestehthingegen die Aufgabe, standardisierte mikropassive Bauelemente etwader Chip-Bauformen 0201 oder 01005 auf einer Leiterplatte oder einemanderen Substrat zu kontaktieren, so werden diese häufigzunächst über einen Kleber an den Kontakten vorfixiertund anschließend mittels Wellentöten, IR-Löteno. ä. verlötet. Ebenso werden zuvor verkapselteoder gehäuste oder auch Nacktchips, so genannte „baredies”, im Wege der sogen. Chip an board-Technik auf Substratenmontiert und anschließend gelötet oder gebondet.Die Vereinigung der Schritte „Platzieren” und „Kontaktieren” erbringt auchhier eine erhebliche Erweiterung der Palette einsetzbarer Materialienund eine Steigerung des Durchsatzes.Consistson the other hand, the task of standardized micropassive components, for examplethe chip types 0201 or 01005 on a printed circuit board or aTo contact other substrate, so these are commoninitially prefixed to the contacts via an adhesiveand then by means of wave soldering, IR solderingo. Ä. Soldered. Likewise, previously encapsulatedor housed or even naked chips, so-called "barethis ", by way of the so-called. Chip on board technique on substratesmounted and then soldered or bonded.The combination of the steps "placing" and "contacting" also yieldsHere is a significant expansion of the range of usable materialsand an increase in throughput.
AlsTräger und Substrate für die oben benannten aktivenoder passiven mikroelektronischen Bauteile kommen zumeist Materialienunterschiedlicher Härte und Flexibilität zum Einsatz,von Halbleiter; Keramiken, z. B. HTCC; Verbunde von Geweben, Fliesenoder Partikeln mit Polymeren, Polymerfilme, bis hin zu Folien undPapieren. Vereinfachend wird häufig unterschieden zwischenden Verbindungsarten starr-starr, starr-flexibel und flexibel-flexibel.WhenCarriers and substrates for the above-named active onesor passive microelectronic components are mostly materialsdifferent hardness and flexibility used,of semiconductors; Ceramics, z. HTCC; Composites of fabrics, tilesor particles with polymers, polymer films, to films andPapers. Simplifying is often a distinction betweenThe types of connection rigid-rigid, rigid-flexible and flexible-flexible.
Einerhieraus abzuleitenden Zielstellung, für möglichstalle praxisüblichen Substratmaterialien ein bei niedrigenTemperaturen realisierbares Bondverfahren bereitzustellen, kommenbump-lose Flip-Chip Techniken (BLFC) am nächsten.onederived from this objective, for possibleAll common substrate materials at lowTemperatures provide viable bonding method comebump-less flip-chip techniques (BLFC) the next.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehendvon dem vorstehend skizzierten Stand der Technik liegt die Aufgabezugrunde, ein Verfahren zum Aufbau von Anschlußflächenanzugeben, mit dem eine zuverlässige stoffschlüssigeVerbindung und elektrische Kontaktierung mittels bumpless Flip-Chip-Technik(BLFC-Technik) bereits bei geringen Temperaturen und moderatem Druckerreicht und damit die Einsatzbreite der FC-Technik erweitert wird.Based on the above-outlined prior art, the object is to provide a method for the construction of pads, with a reliable cohesive connection and electrical contact using bumpless flip-chip technology (BLFC technology) even at low temperatures and moderate pressure he and thus the range of application of FC technology is extended.
DieseAufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahrenmit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.Eine lösungsgemäße Vorrichtung zum stoffschlüssigenFügen von wenigstens zwei metallischen Anschlussstrukturenist im Anspruch 17 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowieauch der Vorrichtung sind in Unteransprüchen sowie in derweiteren Beschreibung insbesondere in den illustrierten Ausführungsbeispielenangegeben.TheseThe object is achieved by a methodsolved with the features of claim 1.A solution according to the device for cohesiveJoining at least two metallic connection structuresis specified in claim 17. Advantageous embodiments of the method as wellalso the device are in dependent claims and in thefurther description in particular in the illustrated embodimentsspecified.
Lösungsgemäß zeichnetsich ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügenvon wenigstens zwei metallischen Anschlussstrukturen, die jeweils über einenebenen oder gekrümmten Kontaktflächenbereich verfügen,von denen wenigstens ein Kontaktflächenbereich übereine dem Kontaktflächenbereich zuordenbare Kontaktflächemit erhabenen Mikrostrukturelementen verfügt, bei dem beideAnschlussstrukturen gegenseitig derart in Kontakt gebracht werden,dass sich Stoffverbindungen zumindest zwischen den Mikrostrukturelementenund der gegenüberliegenden Anschlussstruktur ausbilden,durch die Kombination folgender Verfahrensschritte aus: Zunächstgilt es Mikrostrukturelemente auf der Kontaktfläche wenigstenseiner Anschlussstruktur in Form weitgehend orthogonal zur Kontaktflächeerhabener, rippenzugartig und steilflankig ausgebildeter Kristallitevorzusehen, die jeweils über einen scharfkantigen Rippengratverfügen, längs dem vorzugsweise lokale, jeweilsdurch eine Dreiecksform charakterisierbare Gratspitzen vorgesehensind, und deren Anordnung auf der Kontaktfläche und Ausbildungin Form und Größe einer stochastischen Verteilungunterliegen. Die zwei Anschlussstrukturen werden anschließendderart, vorzugsweise kraftbeaufschlagt zusammengefügt,dass die Mikrostrukturelemente einer Anschlussstruktur mit ihrenRippengraten und Gratspitzen in Kontakt treten mit dem Kontaktflächenbereich deranderen Anschlussstruktur. In vorteilhafter Weise unterliegen zumindestTeile der an wenigstens einer Anschlussstruktur vorgesehenen Mikrostrukturelementeeiner Deformation und/oder dringen mit ihren Gratspitzen in diejeweils andere Anschlussstruktur ein und führen zu einemStoffschluss zwischen beiden Anschlussstrukturen.Drawing according to the solutionthere is a process for cohesive joiningat least two metallic connection structures, each via ahave flat or curved contact surface area,of which at least one contact surface area overa contact surface assignable to the contact surface areawith raised microstructure elements, in which bothTerminal structures are brought into contact with each other in such a waythat substance compounds at least between the microstructure elementsand form the opposite terminal structure,by the combination of the following method steps: Firstit applies microstructure elements on the contact surface at leasta connection structure in the form of substantially orthogonal to the contact surfaceraised, rib-like and steeply flanked crystallitesprovided, each with a sharp-edged rib ridgealong the preferably local, respectivelyprovided by a triangular shape characterizable ridge tipsare, and their arrangement on the contact surface and trainingin shape and size of a stochastic distributionsubject. The two connection structures are subsequentlyin such a way, preferably joined together by force,that the microstructure elements of a connection structure with theirRib burrs and burr tips come in contact with the contact surface area of theother connection structure. Advantageously subject at leastPortions of the microstructure elements provided on at least one connection structurea deformation and / or penetrate with their ridge tips in theeach other connection structure and lead to aMaterial bond between two connection structures.
Einebevorzugt ausgebildete metallische Chipanschluss-Flächegestaltet sich lösungsgemäß somit derart,dass die Kontaktfläche mit einer Vielzahl von die Kontaktflächevollständig bedeckenden und überragenden kristallitenRippengraten und Gratspitzen versehen ist. In besonders vorteilhafter Weisebestehen die rippenzugartig und steilflankig ausgebildeten Kristalliteaus dem gleichen metallischen Material, aus dem auch die Chipanschlussflächebesteht, so dass für einen innigen und mechanisch belastbarenVerbund zwischen den einzelnen im Wege einer galvanischen Abscheidungherstellbaren Kristallite und der Kontaktfläche gesorgtist. Selbst verständlich ist es auch möglich dieKristallite aus einem unterschiedlichen metallischen Werkstoff verglichenzu jenem, aus dem die Kontaktfläche besteht zu fertigen.Besonders bevorzugte Metalls sind Gold, Silber Platin und Kupfer.Apreferably formed metallic chip connection areadesigned in accordance with the solution thus,that the contact surface with a variety of the contact surfacecompletely covering and towering crystallitesRib burrs and ridge tips is provided. In a particularly advantageous mannerexist the rib-like and steep flanked crystallitesfrom the same metallic material, from which also the chip connection surfaceexists, allowing for an intimate and mechanically resilientComposite between the individual by means of a galvanic depositionproduced crystallites and the contact surface worriedis. Of course, it is also possible theCrystallites of a different metallic material comparedto the one from which the contact surface is made.Particularly preferred metals are gold, silver platinum and copper.
Diesich in kristalliner Form, vorzugsweise mittels elektrochemischerAbscheidung an einer Kontaktoberfläche ausbildenden Materialabscheidungenweisen Strukturformen vergleichbar mit einer miniaturisierten Hochgebirgslandschaftauf mit einer Vielzahl sich berührenden und/oder sich gegenseitig durchdringendensteilflankigen, kristallinen Rippenzügen mit Rippengratenund -Spitzen, deren Formen und Größen stochastischverteilt sind. Typischerweise beträgt eine der auf einerKontaktfläche abgeschiedenen kristallinen Gesamtstrukturzuordenbare mittlere maximale Rauhtiefe Rz 0,01 μm bis50 μm, vorzugsweise 0,5 μm bis 10 μm.Hierbei weisen die einzelnen Kristallite an ihrer Basis, d. h. unmittelbarin der Ebene der Kontaktfläche, mit der sie stoffschlüssigverbunden sind, eine longitudinale Ausdehnung von maximal 100 μm,vorzugsweise 0,5 μm bis 10 μm, bevorzugt 1 μmbis 5 μm auf. Die entsprechende laterale Ausdehnung derKristallite an der Basis beträgt maximal 25 μm,vorzugsweise 0,1 μm bis 1 μm, bevorzugt 0,5 μmbis 2 μm beträgt. Mit Blick auf die auf einerKontaktfläche abgeschiedene, kristalline Gesamtstrukturbeträgt der Anteil der Kristallite mit deformierbaren Spitzenund Graten mindestens 20% der Kontaktfläche. Jeder einzelnesteilflankige Kristallit weist hierbei zwei sich am Grat schneidende Kristallflankenauf, die sich am Grat unter einem Winkel α schneiden, mit α < 90°, vorzugsweise α < 60°. Eszeigte sich, dass derartige Kristallformen und -größen übereine besonders ausgeprägte Stabilität verfügen,die ein formstabiles Ineinanderfügen der an beiden miteinanderzu verbindenden Fügepartnern vorgesehenen Kristallite ermöglicht.So ist in diesem Zusammenhang ein besonderer Aspekt des erfindungsgemäßenVerfahrens darin zu sehen, dass bei einem frontalen Annähernvorzugsweise zweier über jeweils über die vorstehendenMikrostrukturelemente verfügenden Anschlussstrukturen bzw.Anschlussflächen zahlreiche gegenseitige Überschneidungenvon Kristallkanten und -Graten bzw. Rippengrate und Gratspitzenan einer Vielzahl lokaler Kontaktstellen beider Anschlussstrukturenerzielt werden. Bei fortgesetzter Annäherung beider Anschlussstrukturenunter kraftbeaufschlagtem Fügen treten an den Kontaktstellenallmähliche gegenseitige Ein- und Durchdringungsvorgängeauf, unter Ausbildung sich ausdehnender Kontaktflächenzwischen beiden Anschlussstrukturen, wobei sich vornehmlich die Rippenkämmegegenseitig zu durchdringen vermögen. Derartige Durchdringungenund Deformationen der an beiden Anschlussstrukturen beider Fügepartnervorgesehenen Mikrostrukturelemente werden durch die mechanisch formstabilenEigenschaften der zur Ausbildung der Kristallkanten, -Grate und -Spitzenverwendeten Metalle und deren Deformationsverhalten im Fügeprozeß unterstützt.The deposited in crystalline form, preferably by means of electrochemical deposition on a contact surface material deposits have structural forms comparable to a miniaturized high mountain landscape with a variety of touching and / or interpenetrating steep-flanked crystalline ribs with rib ridges and spikes whose shapes and sizes stochastically distributed are. Typically, one of the deposited on a contact surface crystalline total structure attributable average maximum roughness Rz 0.01 microns to 50 microns, preferably 0.5 microns to 10 microns. Here, the individual crystallites have at their base, ie directly in the plane of the contact surface with which they are materially connected, a longitudinal extent of not more than 100 .mu.m, preferably 0.5 .mu.m to 10 .mu.m, preferably 1 .mu.m to 5 .mu.m. The corresponding lateral extent of the crystallites at the base is at most 25 μm, preferably 0.1 μm to 1 μm, preferably 0.5 μm to 2 μm. With regard to the crystalline structure deposited on a contact surface, the proportion of crystallites with deformable peaks and ridges is at least 20% of the contact surface. Each individual steep-edged crystallite in this case has two intersecting on the ridge crystal flanks, which intersect at the ridge at an angle α, with α <90 °, preferably α <60 °. It has been found that such crystal forms and sizes have a particularly pronounced stability which enables a dimensionally stable interlocking of the crystallites provided on the two joining partners to be joined together. Thus, in this context, a particular aspect of the method according to the invention is the fact that in a frontal approximation preferably two over each of the above microstructural elements abutting connection structures or connecting surfaces numerous mutual overlap of crystal edges and -Graten or rib burrs and ridge tips at a variety of local Contact points of both connection structures can be achieved. With continued approach of both connection structures under kraftbeaufschlagtem joining occur at the contact points gradual mutual penetration and Durchdringungsvorgänge, forming expansive contact surfaces between the two connection structures, primarily the rib combs are able to penetrate each other. Such penetrations and deformations of the microstructure elements provided on both connection structures of both joining partners become supported by the mechanically dimensionally stable properties of the metals used for forming the crystal edges, -Grate and tips and their deformation behavior in the joining process.
Nebendem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Fügen zweierFügepartner zeichnet sich gleichfalls auch eine Vorrichtungzum stoffschlüssigen Fügen von wenigstens zweimetallischen Anschlussstrukturen, die jeweils über einenebenen oder gekrümmten Kontaktflächenbereich verfügen, vondenen wenigstens ein Kontaktflächenbereich übereine dem Kontaktflächenbereich zuordenbare Kontaktflächemit erhabenen Mikrostrukturelementen verfügt, lösungsgemäß dadurchaus, dass die Mikrostrukturelemente auf der Kontaktflächewenigstens einer Anschlussstruktur in Form weitgehend orthogonalzur Kontaktfläche erhabener, rippenzugartig und steilflankigausgebildeter Kristallite angeordnet und ausgebildet sind, die jeweils übereinen scharfkantigen Rippengrat verfügen, und deren Anordnungauf der Kontaktfläche und Ausbildung in Form und Größe einerstochastischen Verteilung unterliegen.Nextthe method described above for joining twoJoining partner is also characterized a devicefor cohesive joining of at least twoMetallic connection structures, each with ahave flat or curved contact surface area ofwhich at least one contact surface area overa contact surface assignable to the contact surface areawith raised microstructure elements, in solution therebyfrom that the microstructure elements on the contact surfaceat least one connection structure in the form of substantially orthogonalraised to the contact surface, rib-like and steep flankyformed crystallites are arranged and formed, each overhave a sharp-edged ridge ridge, and their arrangementon the contact surface and training in shape and size of asubject to stochastic distribution.
Einederartige Vorrichtung lässt sich in besonders vorteilhafterWeise zur Oberflächenmontage von geeigneten elektronischenKomponenten, vorzugsweise in Form integrierter Schaltkreise, aufstarren oder flexiblen Verdrahtungsträger, insbesondere inForm eines keramischen Substrats, einer Leiterplatte oder einesflexiblen Polymersubstrat, anwenden.ASuch device can be particularly advantageousWay of surface mounting of suitable electronicComponents, preferably in the form of integrated circuits, onrigid or flexible wiring carrier, in particular inShape of a ceramic substrate, a printed circuit board or aflexible polymer substrate.
Auchlassen sich Sensoren und Aktoren auf Basis von Element- oder Verbindungshalbleiternmit starren oder flexiblen Verdrahtungsträgern, insbesonderein Form eines keramischen Substrats, einer Leiterplatte oder einesflexiblen Polymersubstrat mit der lösungsgemäßenMassnahme stoffschlüssig miteinander verbinden.AlsoSensors and actuators can be based on elemental or compound semiconductorswith rigid or flexible wiring carriers, in particularin the form of a ceramic substrate, a printed circuit board or aflexible polymer substrate with the solution according toConnect the measure materially together.
Einweiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßenVerfahrens besteht darin, dass die lösungsgemäß ausgebildeten,metallischen Anschlussstrukturen auf sämtlichen Substratenaller Art, d. h. sowohl auf starren als auch auf flexiblen Subtraten,abgeschieden bzw. aufgebaut werden können.OneAnother significant advantage of the inventionMethod is that the solution trained,Metallic connection structures on all substratesof all kinds, d. H. on both rigid and flexible sub-rates,can be deposited or built.
Dabeiwird ein flußmittelfreies Fügen von Anschlußflächenauf Halbleiter-(Chip-)Materialien, keramischen Substraten oder Polymersubstraten(Leiterplatten und Folien) untereinander oder miteinander unterBeibehaltung einer die Raumtemperatur um weniger als 200 K übersteigendenTemperatur ermöglicht.therebecomes a Flußmittelfreies joining padson semiconductor (chip) materials, ceramic substrates or polymer substrates(PCBs and films) with each other or with each otherMaintaining a room temperature lower than 200KTemperature allows.
Einweiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßenVerfahrens ist darin zu sehen, dass die Distanz der beiden Fügepartnerzueinander nach dem Fügen durch die Ausführungder Kontaktflächen besonders gering gehalten werden kann.Die verbleibende Spalthöhe zwischen miteinander stoffschlüssigverbundenen Komponenten wird auf wenige Mikrometer reduziert. Aufdiese weise können die Bauhöhe insbesondere vongestapelten Chips (SIP, SOP) reduziert und eine deutliche Erhöhungder Packungsdichte elektronischer Komponenten ermöglichtwerden.OneAnother significant advantage of the inventionProcedure can be seen in the fact that the distance between the two joining partnersto each other after joining by the executionthe contact surfaces can be kept very low.The remaining gap height between them cohesivelyconnected components is reduced to a few microns. Onthis way, the height of particularStacked chips (SIP, SOP) reduced and a significant increasethe packing density of electronic components allowsbecome.
Einweiterer Vorteil bei Anwendung des lösungsgemäßenVerfahrens stellt sich bei Verwendung gedünnter Halbleitermaterialienein. Die elastische Verformbarkeit der BLFC-Aufbauten und die Flexibilitätder Packages bleibt erhalten, was entsprechende Anwendungen, z.B. im Bereich Automotive, Avionics, smart card, wearable computingoder Medizintechnik gestattet.Onefurther advantage when using the solution according toProcess arises when using thinned semiconductor materialsone. The elastic deformability of the BLFC abutments and the flexibilitythe packages is retained, which is appropriate applications, such.In the field of automotive, avionics, smart card, wearable computingor medical technology.
Einweiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrensbesteht darin, dass durch die Möglichkeit der Verwendungvon metallurgisch gleichartigen Flip-Chip-Kontakten, z. B. Gold-Gold,Silber-Silber, Platin-Platin, keine intermetallischen Komponenten (IMC)bzw. Phasen zu erwarten sind und die Temperatur-Wechselbeständigkeit (thermomechanische Stabilität)eines Packages (der Verbindung) und damit die funktionale Zuverlässigkeiterhöht wird.Onefurther advantage of the method according to the inventionis that by the possibility of usingmetallurgically similar flip-chip contacts, z. Gold-gold,Silver-silver, platinum-platinum, no intermetallic components (IMC)or phases are to be expected and the temperature-change resistance (thermomechanical stability)a package (the connection) and thus the functional reliabilityis increased.
Bevorzugtstellen die statistisch über die gesamte Oberflächeder Anschlussstruktur verteilten Kristall-Grate, -Kanten und Spitzeneine Vielzahl fokaler Kontakte zum Fügepartner dar, dieunter mechanischer Belastung beim Zusammenfügen eine erleichtertegegenseitige plastisch-elastische Verformung und ein zumindest teilweiseverstärktes gegenseitiges Durchdringen bewirken. Die lokalbeim Fügen applizierten Drucke übersteigen sojene bei konventionellen bumps oder bumplosen Kontaktflächen vorallem in initialen Phasen des Fügeprozesses deutlich.Prefersrepresent the statistically over the entire surfaceof the terminal structure distributed crystal burrs, ridges and peaksa plurality of focal contacts to the joint partner, theUnder mechanical stress during assembly a facilitatedmutual plastic-elastic deformation and at least partiallyeffect enhanced mutual penetration. The localwhen applying applied prints exceed sothose on conventional bumps or bump-free contact surfacesespecially in the initial stages of the joining process.
DieGröße der lösungsgemäß ausgebildeten Kontaktflächenbereiche,insbesondere das Verhältnis der flächigen Ausdehnungder korrespondierenden Anschlussstrukturen zueinander ist im Gegensatzzu mit Lotkugeln realisierten Aufbauten ohne Bedeutung fürdie Kontaktausbildung und hängt einzig und allein von derGleichmäßigkeit der Schichtdicke überdie Fläche eines Arrays von Anschlussstrukturen ab. Vorzugsweisewird zur Ausbildung der Anschlussstrukturen eine selbstähnlicheGeometrie der statistisch verteilt bedeckenden Kristallkanten, -Grateund -Spitzen über die Bedingungen der galvanischen Abscheidungselbiger eingestellt. Besonders bevorzugt wird für daslösungsgemäße BLFC-Bonden mit etwa gleichgroßen Kristallkanten, -Graten und Spitzen füreine über die gesamte Fügezone einheitliche Kontaktierungangesehen.TheSize of the contact surface areas formed in accordance with the solution,in particular the ratio of the areal extentthe corresponding connection structures to each other is in contrastto realized with solder balls constructions without significance forthe contact training and depends solely on theUniformity of the layer thickness overthe area of an array of connection structures. Preferablybecomes a self-similar to the formation of the connection structuresGeometry of the statistically distributed covering crystal edges, -Grateand spikes on the conditions of the electrodepositionset the same. Particularly preferred is for theSolution-based BLFC bonding with about the samelarge crystal edges, gratings and tips fora uniform contact over the entire joining zoneconsidered.
Diegalvanisch realisierten metallischen Kristallite könnenmono- oder polykristallin sein. Sie bestehen von der Spitze biszu ihrer Basis aus nur einer metallurgischen Zusammensetzung, vorzugsweise nureinem Metall, bspw. Au, Ag, Pt. Das Substrat, auf dem die Kristalliteabgeschieden sind, kann dabei aus demselben oder auch aus einemanderen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweisekann das Substrat oder der Träger ganz oder teilweise bedeckendeSchichten aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold, Silber oder Platin, odereinem unedlen Metall, vorzugsweise Aluminium, Titan oder Kupferaufweisen. Dabei ist es unerheblich, ob es sich beim eigentlichenSubstratmaterial um ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium oderein Nitrid, Arsenid, Phosphid, Oxid, anderes halbleitendes oderunter bestimmten Bedingungen supraleitendes Material handelt.Thegalvanically realized metallic crystallites canbe mono- or polycrystalline. They persist from the top to the topto its base of only one metallurgical composition, preferably onlya metal, for example Au, Ag, Pt. The substrate on which the crystallitescan be deposited from the same or from oneother or different materials, for examplemay completely or partially cover the substrate or carrierLayers of a noble metal, preferably gold, silver or platinum, ora base metal, preferably aluminum, titanium or copperexhibit. It is irrelevant whether it is the actualSubstrate material around a semiconductor material, such as silicon ora nitride, arsenide, phosphide, oxide, other semiconducting orunder certain conditions is superconducting material.
Daslösungsgemäße Bump Less Flip Chip (BLFC)Kontaktierungsverfahren wird vorzugsweise zur Realisierung elektrischerKontakte zwischen mikroelektronischen Schaltungen eingesetzt. Mitdem beschriebenen BLFC-Verfahren können ebenso auch wärmeleitendeKontakte zu elektrisch isolierten Wärmesenken oder alssolche fungierenden Flächen oder Teilen davon hergestelltwerden.TheSolution Bump Less Flip Chip (BLFC)Contacting method is preferably for realizing electricalContacts used between microelectronic circuits. WithThe described BLFC method can also thermally conductiveContacts to electrically insulated heat sinks or assuch functioning surfaces or parts thereofbecome.
Diebeschriebenen Verfahren können beispielsweise in folgendenFällen eingesetzt werden:
Üblicherweiseist vorgesehen, dass die kristallinen Kanten, Spitzen und Grateder Anschlussstruktur entweder in Verbindung zu einer elektrisch leitfähigenStruktur, bspw. Leiterzug, Kontakt stehen, oder den stoffschlüssigenKontakt zu einer Wärmesenke zur gezielten Wärmeabfuhrgewährleisten.UsuallyIt is intended that the crystalline edges, peaks and ridgesthe connection structure either in conjunction with an electrically conductiveStructure, for example. Ladder, contact, or the cohesiveContact to a heat sink for targeted heat dissipationguarantee.
Dielösungsgemäße Ausbildung der Anschlussstrukturzum stoffschlüssigen Fügen zweier Fügepartnerdient in erster Linie zur Herstellung eines elektrischen Kontakteszwischen den Fügepartnern. Eine lösungsgemäß ausgebildeteKontaktoberfläche mit der vorstehend erläutertenKristallitstruktur lässt sich auch ganz allgemein zum elektrischenKontaktieren an ein die Kontaktoberfläche umgebendes, nichtnotwendigerweise festes Medium, insbesondere zur Ladungsinjektioneinsetzen. Dabei stellt die Ladungsinjektion in eine leitfähigeSchicht eine bevorzugte Anwendung dar. Praktisch relevante Anwendungsfällekönnen die Kontaktierung einer Diffusionsschicht nach Arteiner Nafion-Membran oder die Zündung eines Plasmas darstellen.Die Erfindung bezieht sich auch auf die lokal begrenzte Kontaktierungvergleichbarer Schichten durch eine Vielzahl von Anschlussflächen,bzw. deren zusätzliche 2-dimensionale Strukturierung.TheSolution-based design of the connection structurefor cohesive joining of two joining partnersPrimarily used to make an electrical contactbetween the joining partners. A solution formed in accordance withContact surface with the above-explainedCrystallitic structure can also be used in general for electrical purposesContacting to a contact surface surrounding, notnecessarily solid medium, in particular for charge injectiondeploy. In this case, the charge injection into a conductiveLayer is a preferred application. Practically relevant applicationscan the contacting of a diffusion layer according to Arta Nafion membrane or the ignition of a plasma.The invention also relates to the locally limited contactingcomparable layers through a multiplicity of connecting surfaces,or their additional 2-dimensional structuring.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
DieErfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinenErfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unterBezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:TheInvention will hereinafter be understood without limitation of the generalErfindungsgedankenens with reference to embodiments belowReference to the drawings described by way of example. Show it:
Wegezur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitIn den
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| R120 | Application withdrawn or ip right abandoned | Effective date:20111124 |