Die Zukunft, die durch die Bonding-Technologie mit AuRoFUSE™ ermöglicht wird.
Halbleiterverpackungstechnologie mit Gold-Nanopaste
~Stabile LED-Beleuchtung, Leistungseinheiten und MEMS durch Niedertemperaturverbindungen und hohe Zuverlässigkeit
Forscher und Entwickler
TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES
Abteilung für Metallmaterialienentwicklung
Im Gegensatz zu herkömmlicher Silberpaste haben Materialien, die aus Goldnanopartikeln in Pastenform bestehen, überwältigend höhere Zuverlässigkeit und können als bleifreie Materialien verwendet werden, da sie bei 200 °C ohne Druck verarbeitet werden können, was zu niedrigeren Verarbeitungskosten führt. Letztendlich, da Goldnanopartikel direkt miteinander verbunden sind, ist die Wärmeleitfähigkeit auch höher als die von Silberfusion unter Verwendung von Silberpaste, was es einfacher macht, Wärme abzuführen. Obwohl Gold allgemein mit hohen Kosten assoziiert wird, können die Gesamtvorteile in Bezug auf Verarbeitungseffizienz, Kosten für Fertigungsanlagen, hohe Zuverlässigkeit (lange Lebensdauer), Ersatzkosten und Leistung (hohe Leistung von Leistungsbauelementen) in Kosten umgerechnet tatsächlich zu niedrigeren Systemkosten führen.
TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES hat ein neues Gold-Nanopartikel-Pastenmaterial, "AuRoFUSE," entwickelt und schlägt dessen Anwendung in der Halbleiterverpackungstechnologie vor. Aufgrund seiner hohen Haftung und Arbeitseffizienz wird erwartet, dass es in der Die-Bonding und Wafer-Bonding von Leistungsbauelementen in der Wafer-Level-Verpackung (WLP) eingesetzt wird.
Gold ist in der Natur extrem stabil und wurde bereits vor 1.000 Jahren in Schreinen, Tempeln und Kulturgütern verwendet. Das Gleiche gilt für die Welt der Halbleiter und Elektronik, wo beispielsweise gedruckte Schaltungen für Smartphones und Mobiltelefone in großen Mengen verwendet werden, sodass sie scherzhaft als "urbane Minen" bezeichnet werden. Dies liegt daran, dass Gold einzigartige Eigenschaften hat, die Rost und Verschlechterung verhindern. In elektronischen Schaltungen erhöht Rost den Widerstand, und unbeabsichtigtes Metallwachstum kann zu Kurzschlüssen führen. Wiederholtes Aussetzen gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen im tatsächlichen Gebrauch kann zu Rissen und Abblättern führen. Gold hingegen unterliegt im Laufe der Zeit nicht den gleichen Veränderungen wie andere Metalle. Es bleibt über viele Jahre stabil.
Auf der anderen Seite wurden in der Welt der elektronischen Schaltungen bleifreie Lote entwickelt, um Metalle ohne die schädlichen Bleilote zu verbinden. Es gab jedoch die Einschränkung, dass die Verarbeitung bei Temperaturen 30 bis 40 °C höher als die der herkömmlichen Bleilote erfolgen muss. Infolgedessen wurden die Fertigungsanlagen teuer, und der Fertigungsprozess war ebenfalls kompliziert. Die Erreichung einer bleifreien Verbindung bei Temperaturen, die nahe an denen der Bleilote liegen, war eines der Hauptziele im Metallbonding.
Goldpaste, die bei 200℃ zum Bonden verwendet werden kann.
TANAKA's AuRoFUSE ist eine Goldpaste, die bei 200℃ zum Verkleben verwendet werden kann, was niedriger ist als die Bonding-Temperatur von Bleilot (Abbildung 1). Diese Goldpaste verwendet Nanopartikel mit einer Partikelgröße von 200 bis 400 nm, da diese Größe als optimal für die Montage von Halbleiterchips angesehen wird. Wenn die Partikelgröße kleiner als diese Größe ist, tritt Necking auf, ein Phänomen, bei dem Nanopartikel dazu neigen, sich bei etwa 150℃ zusammenzukleben, was die Handhabung erschwert. Wenn die Partikelgröße größer und 1 µm oder mehr ist, erreicht die Schmelztemperatur 400℃, was die Verwendung erschwert.
In herkömmlichen Goldpasten werden Goldpartikel in organischen Lösungsmitteln gelöst, und Dispergiermittel werden hinzugefügt, um die Viskosität der Paste anzupassen. Eine hohe Viskosität macht die Paste schwer zu verwenden, und eine moderate Viskosität, die nicht so flüssig ist, ist am einfachsten zu verarbeiten.
In diesem Fall wird die Partikelgröße zwischen 200 und 400 nm kontrolliert, und es werden nur Tenside als Lösungsmittel verwendet. Das bedeutet, dass es nicht notwendig ist, die Viskosität anzupassen, und sie kann auf eine benutzerfreundliche Viskosität eingestellt werden. Die Grundidee ist, dass das Tensid die Oberfläche der Goldpartikel moderat bedeckt und sich bei Temperaturen über 100 °C leicht abzieht. Die Goldpartikel und Tenside sind physikalisch verbunden, aber nicht chemisch gebunden. Daher zieht sich das Tensid bei Wärme leicht ab.
Im Vergleich zu AuSn-Eutektiklötmaterial, das eines der bleifreien Lötmaterialien ist, hat AuRoFUSE eine niedrigere elektrische Widerstandsfähigkeit von 5,4 µΩcm (25 °C), was 1/5 der Widerstandsfähigkeit von AuSn-Eutektiklötmaterial entspricht, und eine höhere Wärmeleitfähigkeit von über 150 W/mK, was dreimal so viel ist wie bei AuSn-Eutektiklötmaterial (Tabelle 1). Das bedeutet, dass sowohl Wärme als auch Elektrizität leicht fließen können. Darüber hinaus hat es einen niedrigen Youngschen Modul von 9,5 GPa, was weniger als 1/6 ist, was darauf hinweist, dass es sich um ein weiches Material handelt. Weiche Materialien haben auch den Vorteil, dass sie Stress absorbieren. Im Vergleich zu AuSn-Eutektiklötmaterial kann es wie zuvor als Kontaktmaterial mit Silizium verwendet werden, mit Ti als Barrieremetall und Pt oder TiW als Barrieremetall.
Bei der Verwendung dieser Gold-Nanopaste zum Verkleben von Chips sollte eine Au/Pd/Ni-Metalllegierung auf Halbleiterchips und Substraten gebildet werden, einschließlich der Haftung an Substraten und der Kompatibilität der thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dann wird an der Stelle, an der AuRoFUSE montiert werden soll, Gold aus einem Dispenser auf die Au/Pd/Ni-Metallschicht aufgetragen (Abbildung 2). Danach wird Druck ausgeübt und eine Wärmebehandlung durchgeführt, um sie zu verbinden. Die Verbindungszeit beträgt etwa 20 Minuten bei 200 bis 230 °C. Nach dem Verkleben wird eine Nachsinterung von 1 bis 3 Stunden durchgeführt, um den Verbindungsbereich zu stabilisieren.
Die erwarteten Anwendungen dieser Gold-Nanopaste umfassen LED-Scheinwerfer, Laser-Scheinwerfer (Referenz 1), Laserprojektoren und GaN-Leistungsgeräte, die in den Frontlichtern von Fahrzeugen verwendet werden.
Achten Sie auf die Wärmeabgabe.
LED-Beleuchtung verwendet eine Methode, bei der mehrere LEDs in einer Reihe angeordnet sind, um Licht auszusenden. Bei der LED-Beleuchtung sind blaue LEDs mit gelbem Phosphor beschichtet, und Blau + Gelb werden verwendet, um Weiß zu erzeugen. Abbildung 3 zeigt eine LED-Lampe, die mit insgesamt 24 LED-Chips ausgestattet ist, wobei 12 Paare in Reihe geschaltet und parallel verbunden sind. Hier sind die Chips mit der Chipseite nach unten auf einem Aluminiumsubstrat montiert. Das Aluminiumsubstrat unter dem Bonding-Pad des Chips mit der Chipseite nach unten ist elektrisch von dem Bonding-Pad durch ein Isolierblatt isoliert, aber da nur Wärme abgeführt werden muss, müssen Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Aluminiumsubstrat und dem Bonding-Pad verwendet werden. Die Wärme von der LED wird durch das Aluminiumsubstrat abgeführt, und die n- und p-Elektroden der LED sind so gestaltet, dass sie Wärme nach außen abgeben.
Ein Ein/Aus-Test (24V, 350mA, 15-minütige Ruhezeit) wurde an acht LED-Modulen mit dieser Struktur durchgeführt. Drei Prototypen wurden für die Bonding-Pads hergestellt: Au-Paste, AuSn-Lötmittel und SnAgCu-Lötmittel, und acht von jedem wurden getestet. Alle AuSn-Lötmodule sind nach 500 Zyklen ausgefallen, und nur drei SnAgCu-Lötmodule haben nach 1000 Zyklen überlebt. Sie konnten 3000 Zyklen überstehen, aber nur zwei überlebten nach 4000 Zyklen, und alle fielen nach 5000 Zyklen aus. Allerdings sind keine der Au-Paste-Elektroden selbst nach 15.000 Zyklen ausgefallen.
Für Laser-Dioden sind eine AuZn-Schicht, eine Ti-Schicht und eine Au-Schicht von der Chip-Seite als Elektroden-Schichten auf der Substrat-Seite des Laser-Chips vorgesehen, und ein Au-Film wird auf dem Kupfersubstrat gebildet, und die Au-Schichten werden mit der AuRoFUSE Au-Paste miteinander verbunden. Da die verbundenen Teile Au-zu-Au sind, tritt kein Potenzialunterschied auf, sodass keine Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit bestehen. Durch das Verbinden bei 200 °C oder höher und anschließendes Sintern verdampft das Lösungsmittel, das in der Goldpaste enthalten ist, und es bleibt nur reines Gold zum Verbinden übrig, was zu einer sehr stabilen Gold-zu-Gold-Verbindung führt.
Der Grund, warum GaN-Geräte als vielversprechend für wärmeerzeugende Leistungsgeräte gelten, ist, dass es sich um Geräte handelt, die den Strom horizontal leiten. Wenn Ag (Silber) für das Die-Bonding verwendet wird, kann der Potenzialunterschied mit dem Au-Bonding-Draht eine Ag-Migration verursachen, die zum Wachstum von Dendriten und Kurzschlüssen zwischen den Anschlüssen führen kann. Aus diesem Grund ist Au-Au-Bonding vorzuziehen. Da SiC-Transistoren jedoch Typen sind, die den Strom vertikal leiten, besteht selbst bei Migration, wenn Ag als Die-Bonding-Material verwendet wird, ein geringes Risiko für Kurzschlüsse. Aus diesem Grund gibt es wenig Motivation, Au für SiC-Geräte zu verwenden.
Anwendungen für WLP-Pakete
Eine weitere Anwendung von AuRoFUSE ist als Vakuumversiegelungsmaterial für WLP-Pakete. Bei der Massenproduktion von Sensoren, die dünne Membranfilme zur Messung ihrer Kapazität und Piezo-Widerstand bilden, wie z.B. MEMS-Geräte, werden MEMS-Chips in Formharz mit hermetischer Versiegelung eingekapselt.
In Zukunft, wenn WLP verwendet werden kann, um kleinere und korrosionsbeständigere Pakete zu schaffen, könnte es möglich sein, sie für bio-implantierbare Sensoren zu verwenden. Ein Deckelwafer wird über einen Gerätewafer zur Versiegelung gelegt, und wenn Gold verwendet wird, um zwischen den Wafern zu versiegeln, wird es selbst im Körper nicht korrodieren.
TANAKA hat eine Technologie entwickelt, die Muster auf Transferwafern mittels Lithographie bildet und diese Muster dann auf die Goldmuster der Gerätewafer überträgt. Transferwafer können mehrfach wiederverwendet werden, sodass es keinen Abfall gibt.
Bei der Verwendung eines Goldmusters als Rahmen für die Abdichtung hat es den Vorteil, dass eine leicht raue Oberfläche des Substrats dennoch ohne Entstehung von Lücken nachgezeichnet werden kann. Gold unterliegt der Sinterung und verformt sich entsprechend dem Substrat. Abbildung 4 zeigt ein Muster (rechts in Abbildung 4) und eine Querschnittsansicht (links in Abbildung 4) nach der hermetischen Abdichtung durch Thermokompressionsbonding von Gold bei 200 °C und 100 MPa. Diese Methode hat auch den Vorteil, dass gleichzeitig ein Goldrahmen für die hermetische Abdichtung und Goldverbindungen für Elektroden gebildet werden können, was in Zukunft die Integration von 3D-ICs mit MEMS durch TSV (Through Silicon Via) erleichtern könnte.
Referenzmaterial
1. Das Laserlicht, das neueste Scheinwerfersystem, das im BMW i8 und der neuen 7er-Serie installiert ist, ist erstaunlich.
Pressemitteilung
Wir führen das Potenzial von Edelmetallen in verschiedenen Bereichen ein.
TANAKA übernimmt alles von der Beschaffung von Edelmetallen über die Materiallieferung, Forschung und Entwicklung, Fertigung, Vertrieb bis hin zum Recycling.
Wir bieten ein umfassendes Leistungsspektrum rund um Edelmetalle an und bieten durch deren optimale Kombination maßgeschneiderte Gesamtlösungen für die Bedürfnisse unserer Kunden.
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