SB_20901BRLP
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2022<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Geometrisch skalierte Spulen<br />
für das induktive Transient<br />
Liquid Phase (TLP)-<br />
Waferbonden in der<br />
Mikrosystemtechnik
Geometrisch skalierte Spulen<br />
für das induktive Transient<br />
Liquid Phase (TLP)-<br />
Waferbonden in der<br />
Mikrosystemtechnik<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 20.901 BR<br />
DVS-Nr.: 10.3245<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Zentrum für Mikrotechnologien ZfM<br />
Professur Smart Systems Integration<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse<br />
Professur für<br />
Umformendes Formgeben und Fügen<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.901 BR / DVS-Nr.: 10.3245 der Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die<br />
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des<br />
Deutschen Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 569<br />
Bestell-Nr.: 170679<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-569-9<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Schlussbericht vom 03.03.2023<br />
zu IGF-Vorhaben Nr. 20901 BR<br />
Thema<br />
Geometrisch skalierte Spulen für das induktive Transient Liquid Phase (TLP)- Waferbonden in<br />
der Mikrosystemtechnik<br />
Berichtszeitraum<br />
01.04.2020 bis 30.09.2022<br />
Forschungsvereinigung<br />
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS<br />
Forschungseinrichtung(en)<br />
Forschungsstelle 1 (IGF-Nr.: 20901 BR / 1)<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Zentrum für Mikrotechnologien (ZfM)<br />
Professur Smart Systems Integration<br />
Forschungsstelle 2 (IGF-Nr.: 20901 BR / 2)<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP)<br />
Professur für Umformendes Formgebenund Fügen (UFF)
Seite 2 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 20901 BR<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Thema ........................................................................................................................................ 1<br />
Berichtszeitraum......................................................................................................................... 1<br />
Forschungsvereinigung .............................................................................................................. 1<br />
Forschungseinrichtung(en) ......................................................................................................... 1<br />
1. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen..... 3<br />
2. AP 1: Theoretische Vorbetrachtungen ............................................................................. 6<br />
2.1. AP 1a: Recherchen, Stand der Technik ........................................................................... 6<br />
2.2. AP 1b: Auswahl von Fügepartnern und Geometrievorgaben............................................ 6<br />
2.3. AP 1c: Lastenheft: Induktive Erwärmungsanlage und Prozess ........................................ 6<br />
3. AP 2: FE-Simulation ...................................................................................................... 11<br />
3.1. AP 2a: Simulationsmodell und AP 2b: Simulation der Erwärmung ................................. 11<br />
3.2. AP 2c: Simulation der Stromtragfähigkeit ....................................................................... 13<br />
4. AP 3: Mikrospule und Bondmodul .................................................................................. 14<br />
4.1. AP 3a: Herstellung Mikrospule ....................................................................................... 14<br />
4.2. AP 3b: Kontaktierung und Anschluss an den Außenschwingkreis .................................. 19<br />
4.3. AP 3c: Herstellung integrierter Erwärmungs-, Druck- und Kühleinheit ............................ 20<br />
5. AP 4: Induktive Erwärmungsanlage ............................................................................... 22<br />
5.1. AP 4a: Erwärmungsanlage: Konzeption, Auslegung, Konstruktion ..................................<br />
AP 4b: Erwärmungsanlage: Fertigung, Montage und Inbetriebnahme ........................... 22<br />
5.2. AP 4c: Monitoring: In-Line Temperaturmessung ............................................................ 23<br />
5.3. AP 4d: Steuerungstechnische Verknüpfung und Inbetriebnahme .................................. 24<br />
6. AP 5: Durchführung und Auswertung von Erwärmungsversuchen ................................. 28<br />
7. AP 6: Durchführung und Auswertung von Fügeversuchen ............................................. 31<br />
8. AP 7: Charakterisierung ................................................................................................. 33<br />
8.1. AP 7a: Metallografie: Mikrostruktur, Bestandteilanalysen ............................................... 33<br />
8.2. AP 7b: Mechanische Tests und Funktionstests .............................................................. 34<br />
9. AP 8: Industrielles Überführungskonzept ....................................................................... 35<br />
10. AP 9: Berichtswesen ...................................................................................................... 36<br />
11. Verwendung der Zuwendung ......................................................................................... 37<br />
12. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................................ 37<br />
13. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................... 37<br />
15. Förderhinweis ................................................................................................................ 41
Seite 3 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 20901 BR<br />
1. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses<br />
mit den Zielen<br />
Im vorliegenden Schlussbericht des Projektes GeoTech wird auf die in der gesamten<br />
Projektlaufzeit vom 01.04.2020 - 30.09.2022 bearbeiteten Arbeitspakete (APs) eingegangen. Die<br />
Bearbeitung erfolgte durch die Forschungseinrichtungen Zentrum für Mikrotechnologien (ZfM)<br />
und Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP) der Technischen Universität<br />
Chemnitz. Im Bericht werden die Arbeiten und Erkenntnisse zusammenfassend dargestellt. Die<br />
nachfolgende Tabelle 1 stellt die im Berichtszeitraum durchgeführten Arbeitsschritte und die<br />
dabei erzielten Ergebnisse den Angaben im ursprünglichen Arbeitsplan gegenüber.<br />
Aufgrund von Lieferverzögerungen, geschlossenen Werkhallen, Laboren und Reinräumen sowie<br />
einer nur eingeschränkten Personalnutzung durch die Corona-Pandemie kam es während der<br />
Bearbeitung zu zeitlichen Verschiebungen. Um alle geplanten Inhalte in den Arbeitspaketen<br />
abschließen zu können, wurde eine 6-monatige kostenneutrale Verlängerung beantragt.<br />
Tabelle 1: Übersicht der durchgeführten Arbeiten.<br />
AP Arbeitspaket Durchgeführte Arbeiten Verantw. Erzielte Ergebnisse<br />
1 Theoretische Vorbetrachtungen<br />
1a<br />
1b<br />
1c<br />
Recherchen, Stand<br />
der Technik<br />
Auswahl von Fügepartnern<br />
und Geometrievorgaben<br />
Lastenheft<br />
Literaturrecherchen ZfM Definition aller relevanten<br />
Randbedingungen<br />
Werkstoffanalyse<br />
Technologieanalyse<br />
Anforderungen an induktive<br />
Erwärmungsanlage<br />
und Prozess<br />
ZfM<br />
ZfM, IWP<br />
Industrierelevante Bondpartner<br />
und<br />
Bondmaterialien<br />
ausgewählt (industrieller<br />
Transfer vorbereitet)<br />
Lastenheft erarbeitet<br />
2 FE-Simulation<br />
2a<br />
Simulationsmodell<br />
Modellierung Einzelkomponenten,<br />
Vernetzung,<br />
Zusammenführung<br />
IWP<br />
CAD-Modell der<br />
Spulengeometrie und des<br />
Spulensetups erstellt<br />
2b<br />
Simulation der<br />
Erwärmung<br />
Auslegung der Spulengeometrie<br />
(Temperaturhomogenität)<br />
IWP<br />
Wärmeverteilung in<br />
Rahmenstrukturen und<br />
Spule als Funktion von<br />
Prozessparametern<br />
Auswahl geeigneter<br />
Spulengeometrien und -<br />
parameter<br />
2c<br />
Simulation der<br />
Stromtragfähigkeit<br />
Auslegung des Spulensetups<br />
(Temperaturmanagement)<br />
IWP<br />
Wärmeverteilung im<br />
Fügeaufbau als Funktion<br />
von Prozess- und<br />
Anlagenparametern<br />
Dimensionierung eines<br />
Kühl- und Bondmoduls für<br />
eine stabile<br />
Prozessdurchführung
Seite 4 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 20901 BR<br />
AP Arbeitspaket Durchgeführte Arbeiten Verantw. Erzielte Ergebnisse<br />
3 Mikrospule und Bondmodul<br />
3a<br />
3b<br />
3c<br />
Herstellung Mikrospule<br />
mittels<br />
Galvanik und<br />
lithografischer<br />
Verfahren<br />
Kontaktierung und<br />
Anschluss an<br />
Außenschwingkreis<br />
Herstellung einer<br />
integrierten<br />
Erwärmungs-,<br />
Druck- und<br />
Kühleinheit<br />
4 Induktive Erwärmungsanlage<br />
4a<br />
4b<br />
4c<br />
4d<br />
Indukt.<br />
Erwärmungsanlage:<br />
Konzeptionierung,<br />
Auslegung,<br />
Konstruktion<br />
Induktive<br />
Erwärmungsanlage:<br />
Fertigung,<br />
Montage und<br />
Inbetriebnahme<br />
Monitoring<br />
Steuerungstechnische<br />
Verknüpfung und<br />
Inbetriebnahme<br />
Entwicklung eines<br />
Fertigungsprozesses für<br />
die Mikrospule basierend<br />
auf Laserstrukturierung<br />
und Kupfergalvanik<br />
Auslegung und Test<br />
einer elektrischen<br />
Kontaktierung der Spule<br />
Anforderungen an<br />
Konstruktion und<br />
Komponentendefinition<br />
Werkstoffauslegung<br />
Fertigung und Montage<br />
Komponentenauslegung<br />
Werkstoffauslegung<br />
Modellierung<br />
Herstellung aller<br />
Anlagenkomponenten<br />
Montage aller<br />
Anlagenkomponenten<br />
Test der Anlage<br />
5 Induktive Erwärmungsversuche<br />
5<br />
Durchführung und<br />
Auswertung von<br />
Erwärmungsversuchen<br />
Konzeptionierung/In-Line<br />
Temperaturmessung<br />
Elektrische Verkabelung<br />
Fertigung Schaltschrank<br />
Integration Umrichter<br />
mechanische und<br />
elektrische Anpassung<br />
Schwingkreis<br />
Versuchsplanung (DoE)<br />
für indukt. Erwärmungen<br />
Masken- und Waferherstellung<br />
Induktive Erwärmungen<br />
ZfM<br />
ZfM, IWP<br />
ZfM, IWP<br />
ZfM, IWP<br />
IWP<br />
ZfM<br />
ZfM, IWP<br />
ZfM, IWP<br />
Mikrospule mittels FE-<br />
Simulation vollständig<br />
ausgelegt und mittels<br />
mikrotechnologischer<br />
Bearbeitung gefertigt<br />
Elektrische Kontaktierung in<br />
Spule und Modul erfolgreich<br />
implementiert<br />
CAD-Modell des induktiven<br />
Bondmoduls erstellt<br />
Werkstoffe für alle Komponenten<br />
definiert<br />
einsatzbereites Bondmodul<br />
Anwendungsgerechte<br />
induktive Erwärmungsanlage<br />
mit allen für die<br />
Bondaufgabe notwendigen<br />
funktionellen Aspekten<br />
konzeptioniert, ausgelegt<br />
und konstruiert<br />
CAD-Modell der induktiven<br />
Erwärmungsanlage erstellt<br />
Montierte induktive<br />
Erwärmungsanlage mit<br />
integrierter Druckeinheit<br />
Konzepte für Temperaturmessungen<br />
in der<br />
Bearbeitungszone erstellt<br />
Einsatzbereite induktive<br />
Erwärmungsanlage mit<br />
integrierter Druckeinheit<br />
Konzepte für Anpassung<br />
des HF-Umrichters an die<br />
Mikrospule wurden erstellt<br />
Experimentelle Machbarkeitsuntersuchungen<br />
für das<br />
Umrichterkonzept erledigt<br />
DoE erarbeitet<br />
Wafer mit Erwärmungsstrukturen<br />
hergestellt und<br />
bereit für Versuche<br />
IR-Aufnahmen für definierte<br />
Parameter erstellt
Seite 5 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 20901 BR<br />
AP Arbeitspaket Durchgeführte Arbeiten Verantw. Erzielte Ergebnisse<br />
6 Induktive Bondversuche<br />
6<br />
Durchführung und<br />
Auswertung von<br />
Fügeversuchen<br />
7 Charakterisierung<br />
7a<br />
7b<br />
Metallografie:<br />
Mikrostruktur,<br />
Bestandteilanalysen<br />
Mechanische<br />
Tests und<br />
Funktionstests<br />
Versuchsplanung (DoE)<br />
für Bondexperimente<br />
Bondversuche mit<br />
induktiver Erwärmungsanlage<br />
Metallografische<br />
Analysen<br />
Ausbeute, mechanische<br />
Festigkeit<br />
8 Industrielles Überführungskonzept<br />
8<br />
Industrielles<br />
Überführungskonzept<br />
9 Berichtswesen<br />
9<br />
Berichterstattung<br />
an den PA,<br />
Zwischen- und<br />
Abschlussbericht<br />
Konzepterstellung zur<br />
Überführung der<br />
Erkenntnisse in die<br />
Wirtschaft<br />
Wissenstransfer<br />
Abgleich der Ergebnisse<br />
und Berichtserstellung<br />
ZfM, IWP<br />
ZfM<br />
ZfM<br />
IWP<br />
ZfM, IWP<br />
DoE erarbeitet<br />
Ermittlung bondrelevanter<br />
Spulenparameter<br />
Mechanisch feste Bondverbindung<br />
induktiv erzeugt<br />
Mikroskop- und REM-, und<br />
EDX-Auswertungen<br />
Ableitung von Zusammenhängen<br />
zwischen Prozessparametern<br />
und Mikrostruktur<br />
Scherfestigkeit ermittelt<br />
Überführungskonzept für<br />
Projektlaufzeit sowie<br />
geplante Maßnahmen nach<br />
Abschluss<br />
Berichterstattung an den PA<br />
Gemeinsamer Zwischenund<br />
Abschlussbericht erstellt<br />
Mit diesen Arbeiten konnte ein Bondmodul mit integrierter Mikrospule sowie eine induktive<br />
Erwärmungsanlage für einen induktiven Schnellerwärmungs- und Bondprozess entwickelt und<br />
umgesetzt werden. Das Modul ermöglicht die selektive Erwärmung von Bondstrukturen auf<br />
mikrosystemtechnischen Substratmaterialien. Weiterhin konnten mit niedrigeren Drücken und<br />
geringeren Prozesszeiten mechanisch feste, stoffschlüssige Cu-Sn-Verbindungen im<br />
Mikrometerbereich erzeugt werden. Die Bearbeitung der vorab definierten Meilensteine wird<br />
nachfolgend beschrieben.<br />
1. Meilenstein (MS)<br />
Der „MS1 – Simulationsmodell und einsatzbereiter Versuchsstand“ wurde abgeschlossen.<br />
2. Meilenstein (MS)<br />
Der „MS2 – induktives TLP-Bonden auf Waferebene“ wurde entsprechend der Zielkriterien nicht<br />
vollumfänglich erreicht. Der Herstellung der Bondstrukturen erfolgte in deutlich umfangreicheren<br />
Versuchen auf Chipebene als ursprünglich geplant. Für einen Transfer auf Waferebene müssen<br />
die dafür notwendigen Stromquellen weiterentwickelt werden. Diese Entwicklungsarbeiten waren<br />
jedoch nicht Teil des Projektes.
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