SB_17.370BLP

2014
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung und
Herstellung von neuartigen
reaktiven Multilayersystemen
(RMS) für die
Mikroverbindungstechnik
durch PVD

Entwicklung und Herstellung
von neuartigen reaktiven
Multilayersystemen (RMS) für
die Mikroverbindungstechnik
durch PVD
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.370 B
DVS-Nr.: 10.064
Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-
Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
IWS
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.370 B / DVS-Nr.: 10.064 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2014 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 374
Bestell-Nr.: 170265
ISBN: 978-3-96870-264-3
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhalt
1 Zusammenfassung der im Projekt erzielten Arbeiten ................................... 3
2 Projektmanagement und Aufgabenstellung .................................................. 4
2.1 Projektmanagement ............................................................................................. 4
2.2 Aufgabenstellung für das IWS-Teilprojekt ............................................................ 5
3 Historische Betrachtung und Stand der Technik ............................................ 7
4 Allgemeine Vorbetrachtungen zu RMS ........................................................... 11
4.1 Aufbau und Prinzip von Reaktivmultischichten ..................................................... 11
4.2 Anwendung von RMS zum Fügen ........................................................................ 12
4.3 Herstellung von RMS durch PVD .......................................................................... 12
5 Ni/Al-Referenz ................................................................................................... 14
5.1 Allgemeines ......................................................................................................... 14
5.2 Energievarianz und Alterung in Ni/Al-Systemen .................................................... 14
5.3 Variation der RMS-Reaktionsgeschwindigkeit ....................................................... 19
5.4 Zusammenfassung Ni/Al Referenzsystem .............................................................. 22
6 Großflächig freistehende RMS ......................................................................... 23
6.1 Direktbeschichtung von Bauteilen ........................................................................ 23
6.2 Nutzung von Opfersubstraten .............................................................................. 24
6.3 Nutzung von Opferschichten ................................................................................ 25
6.4 Beschichtung von Lotfolien .................................................................................. 26
6.5 Nutzung spezifischer Adhäsion ............................................................................ 27
6.6 Zusammenfassung ............................................................................................... 28
7 Belotung von RMS ............................................................................................ 29
8 Preform-RMS ..................................................................................................... 31
9 Eigenspannungen und Unterdrückung der Grenzflächeninterdiffusion ..... 33
9.1 Schichteigenspannungen in aluminiumreichen RMS ............................................. 33
9.2 Grenzflächeninterdiffusion bei aluminiumreichen RMS ......................................... 34
1 0 Neue Materialien............................................................................................... 36
10.1 Niederenergetische Systeme ................................................................................. 36
10.2 Hochenergetische Systeme ................................................................................... 37
10.3 Risshemmung in Ni/Al-RMS .................................................................................. 42
1 1 Aufskalierung und Kostenreduzierung ........................................................... 46
1 2 Vorhabensstand, Ziele, Schutzrechte, Verwertung ........................................ 48
12.1 Vergleich des Stands des Vorhabens mit der ursprünglichen Zeit- und
Kostenplanung ..................................................................................................... 48
12.2 Vergleich der vorgegebenen Ziele mit den erreichten Zielen ................................. 49
12.3 Unmittelbarer Nutzen für kmU und industrielle Anwendungsmöglichkeiten ......... 49
12.4 Schutzrechte ........................................................................................................ 50
12.5 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ......................................................................... 50
1 3 Literatur ............................................................................................................. 53
Fraunhofer IWS
Entwicklung und Herstellung von
Reaktiven Multilayersystemen für
die MST durch PVD
AiF Verbundprojekt REMTEC
Reaktive Multischichten in der Mikrosystemtechnik
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2
Projektmanagement und Aufgabenstellung
Projektmanagement und
Aufgabenstellung
2.1
Projektmanagement
Das AiF-Verbundprojekt „Reaktive Fügeverfahren in der Mikrosystemtechnik“
(REMTEC) besteht aus vier abgestimmten Einzelvorhaben. Es unterteilt sich in jeweils
zwei Technologie- (A1, A2) und Anwendungsprojekte (A3, A4), welche sich die
Aufgaben zur Untersuchung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit teilen (Abb. 01:).
Teilprojekt Institut Name
A1 Fraunhofer IWS Entwicklung und Herstellung von neuartigen
reaktiven Multilayersystemem (RMS) für die
Mikrosystemtechnik
Abb. 01: Teilprojekte im
REMTEC Verbund
A2 ZfM Chemnitz Entwicklung von Kontaktier- und
Verbindungstechniken auf Basis galvanisch
abgeschiedener reaktiver Multischichtsysteme
A3 HSG-IMIT Montage von Mikrosystemen mit reaktivem
Nanofügen in einer Fertigungsprozesskette
A4 Fraunhofer ISIT Produktionsgerechtes reaktives Nanofügen zum
hermetischen Versiegeln von Mikrosensoren auf
Waferebene
Die Technologieprojekte A1 und A2 beschäftigen sich vorrangig mit der Herstellung
und Entwicklung von PVD- (A1) und Galvanik-RMS (A2) nach Vorgaben und
Untersuchungen der Anwendungsprojekte A3 und A4. Zum Projektstart konnten vom
Teilprojekt (TP) A1 erste Ni/Al-RMS auf Wafer- und Folienbasis nach dem Stand der
Technik für erste Arbeiten in den TP A3 und A4 bereit gestellt werden. Damit war
gewährleistet, dass erste Vorgaben von A3 und A4 hinsichtlich der Anforderungen an
die Reaktivsysteme herausgearbeitet werden konnten. Davon ausgehend wurden im
Anschluss zunächst an Testcoupons und später an Funktionsmustern die reaktive
Fügetechnologie in mehreren Iterationsschritten zur Anwendungsreife für die
Mikrosystemtechnik entwickelt. Die Charakterisierung der RMS-Struktur, sowie der
Zuverlässigkeit und Lebensdauer wurde von den jeweiligen Forschungsstellen
übernommen. In Abb. 02: sind die Themenkomplexe des Verbundprojektes dargestellt.
Abb. 02: Themenkomplexe im
AiF Verbundprojekt
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Reaktiven Multilayersystemen für
die MST durch PVD
AiF Verbundprojekt REMTEC
Reaktive Multischichten in der Mikrosystemtechnik
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Projektmanagement und
Aufgabenstellung
Die wissenschaftliche Koordination des Verbundprojektes wurde durch das Fraunhofer
IWS (A1) übernommen. Neben einem intensiven Austausch im Rahmen der
Vernetzung und den Sitzungen des pbAs fanden weitere zwei Mal pro Jahr interne
Treffen zur Koordination mit allen Projektpartnern statt. Die industrielle Lenkung
erfolgte durch einen für alle Teilprojekte gemeinsamen pbA. Gemeinsame Treffen der
Projektpartner und des pbAs fanden zum Projektstart und anschließend halbjährlich
statt. In Abb. 03: ist das vorher erwähnte industrielle und wissenschaftliche
Projektmanagement aufgeführt.
Abb. 03: Darstellung des
industriellen und
wissenschaftlichen
Projektmanagements
2.2
Aufgabenstellung für das IWS-Teilprojekt
Das Ziel dieses Teilprojektes A1 war die Entwicklung von effizient und großflächig
herstellbaren reaktiven Multischichtsystemen unterschiedlicher Materialkombinationen,
deren Eigenschaftsverbesserung durch den Einsatz von Barriereschichten sowie die
Strukturierung und Belotung der Reaktivmultischichten.
Nach Beendigung des Projektes sollten reaktive Multischichtsysteme zur Verfügung
stehen, die insbesondere für Anwendungen in der Mikrosystemtechnik ausgelegt sind.
Ein weiteres Ziel bestand darin, dass zusätzlich zu der bisher kommerziell in den USA
verfügbaren Materialkombinationen Ni/Al weitere RMS wie z. B. Zi/Si und Ti/Al für das
reaktive Fügen nutzbar gemacht werden können. Dies ermöglicht eine weiter
verbesserte Abstimmung der freizusetzenden Wärmemengen und zeitlichen Abläufe
auf die jeweiligen Problemstellungen beim Fügen.
Weiterhin sollten die verschiedenen RMS sowohl direkt auf den jeweiligen Bauteilen als
auch als großflächig freistehende Folien mit und ohne Vorbelotung realisierbar sein.
Ein weiteres wichtiges Ergebnis des Projektes sollte sein, dass alle bei der PVD-
Beschichtung relevanten Prozessparameter zur Abscheidung von RMS, wie
Vorbehandlung von Substrat und Bauteil, Teilchenenergien, Schichtdesign, sowie
Substrat- bzw. Bauteiltemperatur bekannt sind.
Ebenso sollten die Einflüsse des Schichtdesigns, wie Materialzusammensetzung,
Einzelschichtdicke, Periodendicke, Schichtdickenverhältnisse, sowie die
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Reaktiven Multilayersystemen für
die MST durch PVD
AiF Verbundprojekt REMTEC
Reaktive Multischichten in der Mikrosystemtechnik
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Eigenschaftsänderungen der RMS beim Einsatz von Barriere- und Deckschichten
herausgearbeitet werden.
Insbesondere ist die praktische Auswirkung der Änderungen der
Abscheidebedingungen auf die Menge an freigesetzter Energie, die
Propagationsgeschwindigkeit und Reaktionsfreudigkeit, sowie die Stabilität der RMS zu
untersuchen. In Abb. 04: ist der Arbeitsplan und die Meilensteinplanung dargestellt. Zu
bemerken ist hier, dass insbesondere die AP4: Neue Materialien, AP5: Barriereschichten
und AP6: Minimierung der Eigenspannungen nicht losgelöst voneinander betrachtet
werden konnten. So zeigte sich eine elementarte Abhängigkeit der Herstellbarkeit
neuartiger hochenergetischer Systeme von der Anwendung von Barriereschichten bei
gleichzeitiger Minimierung der Eigenspannungen im Schichtsystem.
Projektmanagement und
Aufgabenstellung
Abb. 04: Arbeitsplan und
Meilensteinplanung im Projekt
REMTEC A1
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