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Friday, September 18, 2020, Virtueller Raum 2 11:45 AM Mikroverbindungstechnik und elektronische Anwendungen |
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Induktionserwärmung für das Waferbonden in der Mikrosystemtechnik |
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Christian Hofmann* / Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, Deutschland Alexander Froehlich / Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse IWP, Deutschland Martin Kroll/ Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse IWP, Deutschland Patrick Rochala/ Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse IWP, Deutschland Maik Wiemer/ Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, Deutschland Verena Kraeusel/ Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse IWP, Deutschland Thomas Otto/ Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, Deutschland |
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Innovative Fertigungstechnologien für das Packaging mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) sogenannten intelligenten Systemen sind unerlässlich, um eine hohe Zuverlässigkeit bei gleichzeitig steigender Integrationsdichte zu ermöglichen. Das Wafer-Level-Packaging mit dem Waferbonden hat sich dabei zu einer Schlüsseltechnologie für die Materialintegration in MEMS entwickelt. Die meisten dieser smarten Systeme benötigen feste und hermetisch abgeschlossene Verbindungen, um eine zuverlässige Funktionsweise zu gewährleisten. Um allerdings unterschiedliche Materialien in ein System zu integrieren, muss die thermische Beanspruchung auf die miniaturisierten Systeme minimiert werden. Beim MEMS-Packaging kommen Waferbondverfahren wie beispielsweise das anodische, eutektische oder SLID-Bonden zum Einsatz. Diese Bondverfahren erfordern häufig hohe Temperaturen von bis zu 450 °C mit einem globalen Wärmeeintrag in alle Komponenten des MEMS, was zu einer thermischen Beeinflussung oder Schädigung von temperaturempfindlichen Funktionselementen führen kann. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, die Temperatur lokal einzutragen und nur auf die Verbindungszone zu begrenzen. Ein Ansatz ist die Anwendung von internen, reaktiven Wärmequellen, welche allerdings einen komplexen Herstellungsprozess erfordern und zu Materialeinschränkungen führen können. In diesem Artikel wird eine Methode zur lokalen und energieeffizienten, induktiven Erwärmung metallischer Fügeschichten vorgestellt, um den Bondprozess auf Waferebene zu unterstützen und optimieren. Eine große technologische Herausforderung bei der Verwendung elektromagnetischer Felder für das Waferbonden ist die homogene Wärmeverteilung sowie schnelle Wärmeerzeugung in jeder Bondstruktur. Angesichts dieser Anforderungen umfasst das vorliegende Verfahren mehrere innovative Ansprüche: das Induktordesign für eine homogene Erwärmung aller Fügestrukturen, die Verwendung hochfrequenter, elektromagnetischer Felder mit Frequenzen von bis zu 2,0 MHz und die Integration des induktiven Equipments in einen industriellen Waferbonder. Um die Wärmeverteilung in Abhängigkeit von der Spulengeometrie und dem Betriebsfrequenzbereich zu ermitteln, wurden transiente elektromagnetische FE Simulationen durchgeführt. Mittels Infrarot-Thermografie konnte der selektive und sehr schnelle Wärmeeintrag in die Fügestrukturen überwacht und die Aufheizraten charakterisiert werden. Als Resultat daraus konnte die Fügezeit sowie der Fügedruck signifikant verringert werden. |