Verfahren zum thermischen Sprühen von Leiterbahnen und Elekt- ronikmodul

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Sprühen von mit metallischem Material gebildeten Leiterbahnen sowie ein Elektronikmodul.

Eine neuartige Aufbau- und Verbindungstechnik bei der Ferti gung von Elektronikmodulen stellt das thermische Sprühen von mit Kupfer oder einem sonstigen metallischen Material gebil deten Leiterbahnen auf einer isolierenden Schicht solcher Elektronikmodule dar. Mittels thermisch gesprühter Leiterbah nen können Halbleiterbauteile des Elektronikmoduls elektrisch kontaktiert werden. Gesprühte Leiterbahnen können somit her kömmlich gefertigte Wire-Bonds, Bändchenbonds oder galvani sche Kupferstrukturen von Elektronikmodulen grundsätzlich er setzen .

Jedoch erfordert das thermische Sprühen von insbesondere mit Kupfer gebildeten Leiterbahnen hohe Prozesstemperaturen, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Leiterbahnen zu erreichen.

Diese hohen Prozesstemperaturen können isolierende Schichten eines Leistungsmoduls degradieren oder sogar Halbleiterbau teile des Leistungsmoduls schädigen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfah ren zum thermischen Sprühen von mit metallischem Material ge bildeten Leiterbahnen auf eine isolierende Schicht insbeson dere eines Elektronikmoduls anzugeben, welches vorzugsweise eine isolierende Schicht oder übrige Bestandteile des Elekt ronikmoduls nicht beeinträchtigt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Elektronikmodul anzugeben, welches mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens leicht fertigbar ist. Diese Aufgaben der Erfindung werden mit einem Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem

Elektronikmodul mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum thermischen Sprühen wird die zumindest eine Leiterbahn nicht allein mit tels des thermischen Sprühens eines einzigen, ersten, metal lischen und elektrisch leitfähigen Materials gebildet, son dern das erste Material wird mit mindestens einem zweiten Ma terial kombiniert, welches einen verglichen mit dem ersten Material geringeren Schmelzpunkt aufweist.

Aufgrund der zum thermischen Sprühen geringeren erforderli chen Temperatur können Leiterbahnen mit einer deutlich gerin geren Temperaturbelastung einer Peripherie der mindestens ei nen Leiterbahn gefertigt werden. Insbesondere kann eine ggf. vorgesehene isolierende Schicht oder ein Substrat, an wel cher/welchem die mindestens eine Leiterbahn gebildet wird, einer deutlich geringeren Temperaturbelastung ausgesetzt wer den. Folglich lässt sich die mindestens eine Leiterbahn der art fertigen, dass eines oder mehrere Bestandteile etwa eines Elektronikmoduls, das mit der mindestens einen Leiterbahn ge fertigt wird, weniger stark oder überhaupt nicht degradiert werden und insbesondere ein Halbleiterbauteil eines Elektro nikmoduls nicht oder nicht nennenswert geschädigt wird. Auf grund der erfindungsgemäß nutzbaren niedrigen Prozesstempera tur lässt sich verglichen mit dem Stand der Technik eine grö ßere Vielfalt von Isolationsmaterialien für die isolierenden Schichten heranziehen. Die Wahl von Isolationsmaterialien wird folglich nicht durch hohe Partikeltemperaturen des ers ten Materials eingeschränkt.

Insbesondere können aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes des zweiten Materials Interdiffusionsprozesse genutzt werden, so- dass intermetallische Phasen von erstem und zweitem Material bei besonders niedriger Temperatur gefertigt werde können.

Auf diese Weise können im Vergleich mit dem ersten Material deutlich niedrigere Partikeltemperaturen und zugleich eine verglichen mit dem zweiten Material deutlich höhere elektri sche Leitfähigkeit der Leiterbahn realisiert werden. Vorteil haft ist somit die Fertigung von Leiterbahnen an Substraten und daher auch die Fertigung von Leistungsmodulen besonders zuverlässig möglich.

In diesem Prozess fungiert das zweite Material gewissermaßen als Kleber zwischen den Partikeln des ersten Materials. Im Falle von Kupfer als erstem Material und Zinn als zweitem Ma terial liegt der Schmelzpunkt von Zinn bei deutlich geringe ren Temperaturen als derjenige von Kupfer, nämlich bei 232 °C im Vergleich zu 1085°C. Dieser Unterschied der Schmelztempe ratur erlaubt es, die Plasmatemperatur, und dadurch die Tem peratur der Partikel insgesamt, signifikant zu erniedrigen.

Es muss sich lediglich das erste Material, etwa Zinn, in der flüssigen Phase oder in der Dampfphase befinden und die Tem peratur der Partikel des zweiten Materials, etwa von Kupfer partikeln, je nach gewünschten Eigenschaften der zu erzeugen den Schichten innerhalb weiter Grenzen variiert werden.

Optional und vorteilhaft können, nachdem das erste und das zweite Material gesprüht worden sind, das erste und das zwei te Material in einem zusätzlichen Schritt des erfindungsgemä ßen Verfahrens erwärmt werden. Auf diese Weise können erstes und zweites Material ineinander diffundieren.

Vorteilhaft lassen sich erfindungsgemäß hochfeste und rissun terbindende intermetallische Phasenkristallite realisieren. Zudem können zweckmäßig Leerstellen im ersten Material ver mieden werden. Denn aufgrund der niedrigeren Temperatur lässt sich eine besonders geringe Porosität und folglich eine hohe Schichtqualität und im Ergebnis eine besonders hohe elektri sche Leitfähigkeit erreichen. Vorteilhaft können erfindungsgemäß hochschmelzende Metall schichten als Leiterbahnen gefertigt werden, welche zugleich eine hohe Temperaturstabilität aufweisen. Die Leiterbahnen sind also einerseits leicht zu fertigen und andererseits zu gleich besonders temperaturstabil ausgebildet.

Weiterhin vorteilhaft eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren zusätzliche Freiheitsgrade zur Fertigung von Leiterbahnen.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das ers te Material mit Kupfer und/oder Aluminium und/oder Gold und/oder Silber und/oder Titan und/oder Nickel und/oder Mo lybdän und/oder einem sonstigen Metall gebildet. Besonders bevorzugt ist das erste Material Kupfer oder Aluminium oder Gold oder Silber oder Titan oder Nickel oder Molybdän oder ein sonstiges Metall.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist das zweite Material mit Zinn und/oder Aluminium und/oder einem sonstigen Metall gebildet. Besonders bevorzugt ist das zweite Material Zinn oder Aluminium oder ein sonsti ges Metall. Zinn und/oder Aluminium weisen einen hinreichend niedrigen Schmelzpunkt vergleichen mit typischen Leiterbahn materialien auf.

Zweckmäßig weist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung das zweite Material einen Schmelzpunkt von höchstens 900 Grad Celsius, bevorzugt von höchstens 400 Grad Celsius, vorzugs weise von höchstens 300 Grad Celsius und idealerweise von höchstens 250 Grad Celsius, auf. In dieser Weiterbildung kann aufgrund der - verglichen mit dem ersten Material - geringe ren Schmelztemperatur des zweiten Materials eine Wärmebelas tung des Substrats auf höchstens die vorgenannten Schwell- Temperaturwerte und somit auf im Vergleich zu gängigen Lei terbahnmaterialien auf deutlich herabgesetzte Temperaturwerte begrenzt werden. Folglich ist eine Degradation des Substrats oder von sonstigen an die Leiterbahn angebundenen Elementen besonders zuverlässig vermeidbar. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einer vorteil haften Weiterbildung Partikel herangezogen, welche einen Kern mit dem ersten Material und eine den Kern, vorzugsweise voll umfänglich, beschichtende Schicht mit dem zweiten Material aufweisen. Auf diese Weise kann eine metallische Interdiffu sion von erstem und zweitem Material besonders effizient er folgen, da erstes und zweites Material einander bereits auf der räumlichen Skala der Partikelabmessungen einander nah an geordnet sind.

Vorteilhaft werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das zweite Material und das erste Material im zeitlichen Wechsel abgeschieden. Auch in dieser Weiterbildung der Erfindung sind erstes und zweites Material einander auf einer Größenskala im Wechsel abgeschiedener Schichten ersten und zweiten Materials derart nahe, dass eine Interdiffusion von erstem und zweitem Material besonders effizient erfolgen kann.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu nächst das zweite Material abgeschieden und nachfolgend das erste Material. Auf diese Weise kann das zweite Material mit einer für das zweite Material hinreichenden und folglich ge ringeren Temperatur abgeschieden werden als das erste Materi al allein. Auf eine so abgeschiedene Schicht zweiten Materi als kann nun erstes Material abgeschieden werden, welches sich mit dem zweiten Material bereits bei der geringeren Schmelztemperatur des zweiten Materials mittels Interdiffusi on als Gemisch oder Legierung verbindet.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul mit mindestens ei ner Leiterbahn ist die Leiterbahn mit einem ersten elektrisch leitfähigen Material und zusätzlich mittels mindestens eines zweiten metallischen Materials gebildet, wobei das zweite Ma terial verglichen mit dem ersten Material einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist und wobei das erste und das zweite Ma terial miteinander interdiffundiert, insbesondere legiert und/oder vermischt sind. Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Elektronikmodul nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wie zuvor beschrieben gefertigt. Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul weist die mindestens eine Leiterbahn mittels des ersten Materials gebildete Inseln auf.

Das erfindungsgemäße Elektronikmodul ist vorzugsweise ein Leistungsmodul und weist bevorzugt mindestens ein Leistungs bauteil, insbesondere Halbleiterbauteil, auf, das mittels der mindestens einen Leiterbahn kontaktiert ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei gen :

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Verfahrens zur Fertigung eines ersten Ausfüh rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronik moduls schematisch im Querschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Verfahrens zur Fertigung eines zweiten Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektro nikmoduls schematisch im Querschnitt sowie

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Verfahrens zur Fertigung eines dritten Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektro nikmoduls schematisch in Querschnitt.

Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Elektronikmodul ist ein Leistungsmodul 10 und wird in einem Fertigungsschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer mit Kupfer ge bildeten Leiterbahn 20 versehen, welche nicht explizit darge stellte Halbleiterbauteile des Leistungsmoduls 10 elektrisch kontaktiert . Die Leiterbahn 20 wird in dem dargestellten Fertigungsschritt mittels thermischen Sprühens von eines Partikelgemischs 30 gebildet, welches homogen gemischte Kupferpartikel 40 sowie Zinnpartikel 50 aufweist. Dabei bildet Kupfer das erste Mate rial und Zinn das zweite Material. Grundsätzlich können in weiteren Ausführungsbeispielen das erste metallische Material mit einem anderen Metall und das zweite metallische Material jeweils mit einem sonstigen Metall gebildet sein, wobei das zweite metallische Material verglichen mit dem ersten Materi al einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist.

Die Kupferpartikel 40 sowie die Zinnpartikel 50 weisen eine Größe, d.h. einen Durchmesser, zwischen 5 und 50 Mikrometern auf .

Die Kupferpartikel 40 sowie die Zinnpartikel 50 werden als Partikelgemisch 30 in einer Pulverzufuhr 60 vorgehalten und einer Plasmadüse 70 zugeführt. Die Plasmadüse 70 überführt das Partikelgemisch 30 in ein Plasma 80 mit einer Temperatur zwischen 200°C-20000°C, welches das Partikelgemisch auf eine Temperatur von mindestens 200 Grad Celsius und höchstens 1000 Grad Celsius aufwärmt. Bei der genannten Plasmatemperatur wird das Zinn je nach Kontaktzeit der Zinnpartikel 50 flüs sig, während die Kupferpartikel 40 hingegen im festen Aggre gatzustand verbleiben.

Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine höhere Partikeltemperatur gewählt werden, beispielsweise 800 Grad Celsius, bei welcher die Kupferpartikel 40 überwie gend in einem festen Aggregatzustand verbleiben und allen falls angeschmolzen werden, während das Zinn der Zinnpartikel 50 hingegen bereits teilweise in die Dampfphase übergeht.

Das Plasma 80 trifft auf ein mittels einer beheizten Sub strathalterung temperiertes Substrat 90 auf und wird dort als Schicht 100 abgeschieden. Sowohl im Plasma 80 als auch auf dem Substrat 90 erfolgt ein Interdiffusionsprozess des Zinns der Zinnpartikel 50 und des Kupfers der Kupferpartikel 40. Ein solcher Interdiffusionsprozess ist beispielsweise auch aus dem Diffusionslöten bekannt und führt zu stabilen inter metallischen Phasen in der Schicht 100. Den Hauptvolumenan teil der Schicht 100 machen nach wie vor von den Kupferparti keln 40 resultierende Kupferinseln aus, in welchen das Kupfer nahezu rein, d.h. ohne eindiffundierte Zinnanteile, vorliegt. Der Interdiffusionsprozess endet, wenn entweder alle Zinnpar tikel 50 am Interdiffusionsprozess teilgenommen haben, sodass keine weiteren Zinnpartikel 50 zur Verfügung stehen oder wenn die Diffusionslänge für die Zinnatome zu groß wird oder wenn die thermische Behandlung unterbrochen wird. Der Interdiffu sionsprozess kann auch nachfolgend durch eine zusätzliche Temperaturauslagerung (z.B. in einem Ofen) erreicht werden.

Die Zusammensetzung der Schicht 100 kann durch Zusammenset zung des Partikelgemischs 30 eingestellt werden.

Grundsätzlich können in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen zusätzlich weitere Legierungselemente wie Silizium und/oder Silber und/oder Blei zugegeben werden. Die Kupferpartikel 40 werden in weiteren, nicht eigens darge stellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfah rens nicht lediglich angeschmolzen, sondern auch gänzlich aufgeschmolzen . In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbei spielen werden die Kupferpartikel 40 überhaupt nicht ge schmolzen, sondern die Kupferpartikel 40 liegen gänzlich als Festkörper vor.

Die Schicht 100 wird mittels nicht eigens dargestellter Mas ken oder mittels einer geeigneten Strukturierung der Oberflä che des Substrates 90 derart entlang der Oberfläche 110 des Substrats 90 strukturiert, dass die Schicht 100 die an der Oberfläche 110 des Substrats 90 entlangführende Leiterbahn 20 bildet .

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht grundsätzlich dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel soweit nicht nachfolgend abweichend etwas anderes beschrieben ist :

Anstelle des Partikelgemischs 30 wird in dem gern. Fig. 2 dar ^¬ gestellten Verfahren zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 200 eine Vielzahl 230 identischer Partikel in Form von Kompositpartikeln 240 herangezogen. Die Kompositpar- tikel 240 der Vielzahl 230 weisen eine Core-Shell-Struktur, d.h. eine Kern-Schale-Struktur auf. Bei dieser Kern-Schale- Struktur bildet ein nahezu sphärisches Kupferpartikel 250 den Kern des Kompositpartikels 240.

Grundsätzlich muss das Kupferpartikel 250 nicht sphärisch ge ^¬ formt sein, sondern kann auch beliebig sonst geformt sein, beispielsweise elliptisch oder stäbchenförmig elongiert oder als Polyeder geformt. Dieses Kupferpartikel 250 ist von einer Zinnschicht 260 bedeckt, welche im gezeigten Ausführungsbei ^¬ spiel das Kupferpartikel 250 vollumfänglich umgibt und voll ^¬ flächig bedeckt. In weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen, bedeckt die Zinnschicht 260 die Oberfläche des Kupferparti- kels 250 zumindest teilweise. Auch „spratzige" Formen sind denkbar, in welchen Cu und Sn nebeneinander vorliegen und sich somit nicht umschließen.

Das Verhältnis der Dicke der Zinnschicht 260 zum Durchmesser des Kupferpartikels 250 legt dabei den Volumenanteil des Zinns und des Kupfers der Vielzahl 230 von Kompositpartikeln 240 und somit den Volumenanteil von Zinn und Kupfer in einer an dem Substrat 90 abgeschiedenen Schicht 280 fest.

Wie im anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Kompositpartikel 240 mittels der Plasmadüse 70 in ein Plasma 270 überführt, wobei die Zinnschicht 260 in die flüssige Phase oder in die Dampfphase überführt wird. Die Kupferpartikel 250 hingegen werden allenfalls teilweise ange ^¬ schmolzen oder verbleiben im festen Aggregatzustand . Das Plasma 270 wird wie anhand von Fig. 1 beschrieben an dem Sub strat 90 als Schicht 280 abgeschieden.

Auch in dem Ausführungsbeispiel gern. Fig. 2 werden Kupfer und Zinn einem Interdiffusionsprozess unterzogen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel können dem Plasma optional zusätzlich weitere Legierungselemente zugefügt werden.

In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Leistungsmodul 300 hergestellt, indem die Schicht 310 an dem Substrat 90 in alternierenden Lagen von Kupfer und Zinn abgetragen wird. Dazu wird beispielsweise zu ^¬ nächst mittels der mit der Plasmadüse 70 in ein Plasma über ^¬ führten Zinnpartikel 50 eine dünne Zinnschicht 325 an dem Substrat 90 abgetragen. Dies kann aufgrund der verglichen mit Kupfer niedrigeren Schmelztemperatur von Zinn bei niedrigeren Temperaturen als im Falle von Kupfer, etwa bei etwa 223 Grad Partikeltemperatur Celsius, erfolgen. Anschließend werden heiße Kupferpartikel 40 in ein Plasma überführt und es wird mittels der Kupferpartikel 40 eine heiße Kupferschicht 330 abgeschieden. Die Zinnschicht 325 schützt zunächst das Sub ^¬ strat 90 vor dem thermischen Aufprall der Kupferpartikel 40. Nach dem Aufträgen der Zinnschicht 325 diffundieren das Kup fer der Kupferpartikel 40 sowie das Zinn der Zinnpartikel 50 ineinander und es bildet sich eine stabile intermetallische Phase. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das wechsel ^¬ seitige Abscheiden von Zinn und Kupfer optional einfach oder mehrfach wiederholt. Alternativ kann auch lediglich ein fort gesetztes thermisches Sprühen von Kupfer erfolgen. Auch im in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Hauptanteil der elektrischen Leitfähigkeit durch die reinen Bereiche der Kupferschicht 330 bedingt.

In allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Interdiffusionsprozess auch nach dem Sprühen durchgeführt werden. Beispielsweise können die Schichten 100, 280, 325,

330 nachfolgend thermisch behandelt werden, etwa in einem Temperaturbereich zwischen 200 Grad Celsius und 500 Grad Cel- sius. Somit können die intermetallischen CuSn-Phasen während der thermischen Behandlung, welche beispielsweise einige Mi nuten oder mehrere Stunden andauern kann, ausgebildet werden Vorzugsweise wird die intermetallische Phase als Cu3Sn und Cu ₆ Sn ₅ gebildet.

Weiterhin ist das CuSn-System lediglich als Stellvertreter für Diffusionslotmaterialen zu sehen. Generell sind aus vie len weiteren Metallsystemen, etwa Silber und/oder Gold und/oder Aluminium und/oder Titan und/oder Nickel und/oder einem oder mehreren sonstigen Metall/en auch Kombinationen möglich .