DE19651528A1 - Chipanordnung und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Chipanord­ nung, bei der ein Chip mittels einer Verbindungseinrichtung mit zumindest einem weiteren Chip oder einem Substrat ver­ bunden ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Verbinden eines Chips mit einem wei­ teren Chip oder einem Substrat.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Anwendungs­ bereich, bei dem zwei oder mehrere Materialbausteine, bei­ spielsweise Chips, verschiedene Substratmaterialien, IC-Bau­ steine, unter Verwendung der Die-Bond- oder Flip-Chip-Tech­ nik zumindest mechanisch und/oder elektrisch und/oder ther­ misch verbunden werden. Diese Verfahren finden beispiels­ weise Anwendung bei der Verbindung zweier oder mehrerer Chips oder bei der Befestigung und/oder Kontaktierung von Chips auf Substraten, insbesondere zur Bildung von Multi- Chip-Modulen (MCM) und in der Optoelektronik. Die vorlie­ gende Erfindung ist generell vorteilhaft auf allen Gebieten einsetzbar, wo größere Bauteile montiert und/oder höhere Verlustleistungen abgeführt werden müssen, beispielsweise auf den Anwendungsfeldern der Optoelektronik und/oder der Leistungselektronik.

Es ist bekannt, daß Chips aus Si, GaAs oder InP mit hoher Verlustleistung auf sogenannten Wärmespreizern und/oder Küh­ lern, sogenannten Wärmesenken, montiert werden müssen. Bei einer derartigen Montage sollte der Kontakt zwischen den Chips und der Wärmesenke möglichst großflächig sein, um die Wärme sehr gut zu der Wärmesenke weiterzuleiten. Ein Wärme­ stau und zu hohe Temperaturen in einem Chip führen zu einer hohen Degradation und können einen plötzlichen Ausfall be­ wirken.

Die Materialbausteine werden daher gelötet, da Lote sehr niedrige thermische und sehr niedrige elektrische Widerstän­ de aufweisen. Das Lot kann galvanisch oder stromlos abge­ schieden, aufgedampft oder aufgesputtert sein, oder alterna­ tiv in der Form eines Lötplättchens (Preform) vorliegen. Als Wärmespreizer oder Kühler werden Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Cu, kubisches BorNitrid oder Diamant, verwendet.

Dabei existieren jedoch teilweise sehr große Unterschiede der Ausdehnungskoeffizienten der Materialbausteine. Um die durch den Lötprozeß induzierten und im Betrieb aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auftretenden thermomechanischen Spannungen abzufangen, muß ein weiches Lotmaterial mit einer niedrigen Fließgrenze verwendet wer­ den. Beispielsweise werden bei der Montage von Hochlei­ stungslaserbarren aus AlGaAs/GaAs oder InGaAs/GaAs dieselben standardisiert mit In-Lot auf Kupfer (Cu) oder Diamant auf­ gelötet.

Durch das sehr weiche In-Lot können die auftretenden Span­ nungen abgebaut werden. Jedoch weisen die mittels des obigen Verfahrens gelöteten Laserbarren eine erwartete Lebensdauer von nur 5000 Stunden auf. Der Grund für diese niedrige Le­ bensdauer ist die Verwendung des In-Lotes mit einer geringen Zuverlässigkeit.

Höhere Lebensdauern und Zuverlässigkeiten kann man nur durch den Einsatz von höher schmelzenden Loten, beispielsweise Pb(37)Sn(63), Au(80)Sn(20), erzielen. Diese Lote weisen er­ heblich höhere Fließgrenzen auf und können daher die indu­ zierten Spannungen nicht oder nur teilweise abbauen. Für An­ wendungen in der Optikelektronik ist der Einsatz von Au(80)Sn(20)-Lot von höchstem Interesse, da mit demselben ein flußmittelfreier Lötprozeß durchgeführt werden kann. Verwendet man dieses Lot um GaAs auf Diamant zu löten, lie­ gen die Spannungen ab einer bestimmten Chipgröße, die von den Dicken der Materialbausteine abhängt, oberhalb der Bruchgrenze des GaAs. Es ist möglich, durch geschickte Wahl der Lötparameter, Temperatur und Zeit die Spannungen bis knapp unterhalb der Bruchgrenze zu reduzieren. Für optisch aktive Materialbausteine müssen die Spannungen jedoch um den Faktor 2 bis 4 reduziert werden, damit der Chip funktionsfä­ hig ist.

Ausgehend von dem oben dargestellten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Chip­ anordnung bestehend aus einem Chip, einer Verbindungsvor­ richtung und zumindest einem weiteren Chip oder einem Sub­ strat zu schaffen, wobei die Verbindungsvorrichtung eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und ferner eine lange Lebensdauer der Chipanordnung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Chipanordnung gemäß Anspruch l gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrun­ de, Verfahren zum Verbinden eines Chips mit einem Substrat oder einem weiteren Chip zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 10 und 15 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Chipanordnung, die aus einem ersten Chip, einer Verbindungsvorrichtung und zu­ mindest einem zweiten Chip oder einem Substrat besteht, wo­ bei die Verbindungsvorrichtung aus einer Mehrzahl einzelner voneinander beabstandet angeordneter Diamantteile besteht, die zwischen den Chips oder zwischen dem ersten Chip und dem Substrat angeordnet und mit denselben verbunden sind.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel schafft die vor­ liegenden Erfindung eine Chipanordnung, die aus einem Hoch­ leistungs-Chip und einem Kühlsubstrat besteht, die mittels einer Mehrzahl einzelner voneinander beabstandet angeordne­ ter Diamantteile verbunden sind. Die Diamantteile können mittels eines Lots, z. B. Au(80)Sn(20) oder Pb(37)Sn(63), mit dem Chip und/oder dem Kühlsubstrat verbunden sein, oder kön­ nen alternativ mittels eines Thermokompressionsbond-Verfah­ rens mit dem Chip und/oder mit dem Kühlsubstrat verbunden sein.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung eines harten Goldzinn-Lots hoher Lebensdauer, vorzugsweise mit dem eutektischen Verhältnis Au(80)Sn(20) um unter Verwendung ei­ nes Diamantmaterials einen ersten Chip mit einem zweiten Chip oder einem Substrat, beispielsweise einer Wärmesenke, zu verbinden. Der zweite Chip oder das Substrat weisen vor­ zugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der im wesentlichen gleich dem des ersten Chips ist, um das Einführen jeglicher Spannungen in den Chip, die zu einem Bruch des Chips führen könnten, zu vermeiden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit beispielsweise die vorteilhafte Montage von Hochleistungslaserbarren, die bei typischen Abmessungen von 10 mm.0,6 mm.100 µm eine Ver­ lustleistung von 50 Watt aufweisen können, auf einer Wärme­ senke, die beispielsweise aus Silizium oder AlN besteht. Bei der Montage eines Hochleistungslaserbarrens aus GaAs auf ei­ ner Wärmesenke, die auf Si oder AlN besteht, weisen die ein­ zelnen voneinander beabstandeten Diamantteile vorzugsweise einen Durchmesser ≦ 2 mm auf.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird zunächst eine Diamantschicht ganz­ flächig auf ein Substrat aufgebracht, woraufhin die Diamant­ schicht zum Festlegen einzelner voneinander beabstandeter Diamantteile strukturiert wird. Im Anschluß werden die ein­ zelnen voneinander beabstandeten Diamantteile (12) bei­ spielsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Thermo­ kompressionsbond-Verfahrens mit dem ersten Chip (10) verbun­ den.

Gemäß einem alternativen Verfahren zum Verbinden eines er­ sten Chips mit einem zweiten Chip oder einem Substrat werden zunächst einzelne Diamantteile voneinander beabstandet auf den ersten Chip oder den zweiten Chip oder das Substrat auf­ gebracht. Nachfolgend werden die einzelnen, voneinander be­ abstandeten Diamantteile mit dem anderen der beiden Chips oder dem Substrat verbunden.

Die vorliegende Erfindung schafft somit Verfahren, die be­ sonders vorteilhaft zur Verbindung von Bauteilen mit hoher Verlustleistung mit Kühlsubstraten geeignet sind. Die vor­ liegende Erfindung ermöglicht den Abbau von thermomechani­ schen Spannungen auf der Diamantschicht durch das Vereinzeln der Diamantschicht in einzelne voneinander beabstandete Dia­ mantteile. Dadurch ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung eines höher schmelzenden Lots und somit eine hohe Zuverlässigkeit bei der Kontaktierung. Folglich ergeben sich sehr niedrige elektrische und thermische Widerstände.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Hochlei­ stungslaserbarrens, der mittels des erfindungsge­ mäßen Verfahrens auf einer Wärmesenke angebracht ist;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht der Wärmesenke mit auf derselben angebrachten, einzelnen, voneinander be­ abstandeten Diamantteilen; und

Fig. 3 eine schematische Querschnitt-Teilansicht von unter Verwendung eines Lots mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundenen Bauteilen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels derselben, das sich auf die Montage eines Hochleistungslaserbarrens auf einer Wärmesenke bezieht, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Hochleistungslaserbarren 10 der mittels einzelner, voneinander beabstandeter Diamantteile 12 auf ei­ ner Wärmesenke 14, die auch als Kühlsubstrat bezeichnet wer­ den kann, angebracht ist. Der Hochleistungslaserbarren 10 besteht beispielsweise aus AlGaAs/GaAs oder InGaAs/GaAs. Die Wärmesenke 14 besteht vorzugsweise aus Silizium oder AlN. Bevorzugte Verfahren zum Herstellen der Chipanordnung, die in Fig. 1 dargestellt ist, werden nachfolgend erläutert.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Wärmesenke 14 mit den auf derselben angebrachten einzelnen, voneinander beabstan­ deten Diamantteilen 12, wobei der Hochleistungslaserbarren 10 entfernt ist. Die Diamantteile 12 können beispielsweise durch die Strukturierung einer ganz flächig aufgebrachten Diamantschicht, die auf das Kühlsubstrat 14 abgeschieden wurde, hergestellt sein.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der in Fig. l dargestellten Chipanordnung wird zunächst eine ganzflä­ chige CVD-Diamantschicht auf eine Wärmesenke, die beispiels­ weise aus Si oder AlN besteht, abgeschieden. Nachfolgend wird eine Strukturierung der Diamantschicht mittels mechani­ scher Bearbeitung, beispielsweise mit einem Laserstrahl durchgeführt, um einzelne, voneinander beabstandete Diamant­ teile gleicher Höhe zu bilden. Alternativ können vor der Ab­ scheidung Maskierungsprozesse verwendet werden, um dadurch bereits strukturiert einzelne, voneinander beabstandete Dia­ mantteile auf der Wärmesenke abzuscheiden. Aus dem diamant­ beschichteten Substrat, das später als Wärmesenke dient, können anschließend mittels mechanischer Verfahren oder mit­ tels Ätzverfahren Kühlelemente hergestellt werden.

Nachfolgend wird auf diese strukturierten Diamanten bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein höher schmelzendes Lot, beispielsweise Au(80) Sn(20) mit bekannten Auftragstechniken aufgebracht. Der Chip, d. h. bei der in Fig. 1 dargestellten Chipanordnung der Hochleistungslaserbarren 10, wird über dem Kühlsubstrat 14 ausgerichtet und nachfolgend auf die einzel­ nen Diamantteile gelötet. Dabei weist der Chip in den ent­ sprechenden Bereichen vorzugsweise entsprechende Lötstellen auf.

In Fig. 3 ist ein teilweiser Querschnitt einer Chipanordnung dargestellt, bei der die vereinzelten Diamantteile 12 mit­ tels eines Lötverfahrens mit einem Chip 20 und einem Chip 22 verbunden sind. Auf den Chips 20 und 22 ist jeweils eine Lötmittelschicht 16 angebracht, die vorzugsweise aus Au(80)Sn(20) besteht.

Alternativ zu dem oben beschriebenen Lötverfahren kann der Chip auch mittels eines Thermokompressionsbond-Verfahrens auf entsprechend metallisierten Diamanten montiert werden. Dazu werden die einzelnen Diamantteile mit Oberflächenme­ tallisierungen versehen. Diese Oberflächenmetallisierung besteht vorzugsweise aus Gold. Ferner weist der Chip, der mit den einzelnen Diamantteilen verbunden werden soll, eben­ falls Goldkontakte auf. Diese Goldkontakte des Chips werden mit den Oberflächenmetallisierungen der Diamantteile ausge­ richtet, woraufhin der Chip mittels eines Thermokompres­ sionsverfahrens an die mit der Oberflächenmetallisierung versehenen Diamantteile gebondet wird.

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren können fer­ ner zunächst einzelne Diamantteile in den für den Aufbau der späteren Chipanordnung entsprechend optimierten Größen und Strukturen auf ein Substrat, beispielsweise ein Kupfersub­ strat, aufgebaut werden. Als Substrat ist neben Kupfer auf­ grund des thermischen Ausdehnungskoeffizienten noch vorteil­ hafter Wolfram-Kupfer oder Molybdän-Kupfer zu verwenden, wenn das Substrat beispielsweise als Wärmesenke für den oben beschriebenen Hochleistungslaserbarren dienen soll. Nach dem Aufbringen eines Lots auf die Diamantteile können diese dann an einen Chip gelötet werden. Das Auftragen des Lotes kann alternativ auch vor den Aufbau der Diamantteile auf dem Kup­ fersubtrat erfolgen.

Bei noch einem alternativen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden zunächst einzelne Diamantteile beabstandet voneinander mit einem Chip, beispielsweise dem Hochlei­ stungslaserbarren 10 verbunden. Diese Verbindung kann bei­ spielsweise wieder mittels Löttechniken oder Thermokompres­ sionsverfahren durchgeführt werden. Nachfolgend werden die Diamantteile, die wiederum je nach weiterer Vorgehensweise mit einer Oberflächenmetallisierung für ein nachfolgendes Thermokompressionsverfahren oder mit einem Lötmittel für ein nachfolgendes Lötverfahren versehen sind, mit dem Kühlsub­ strat verbunden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner möglich, zwischen dem Kühlsubstrat und den einzelnen, voneinander beabstandeten Diamantteilen ein weiches Lot, z. B. ein In-Lot, zu verwenden, um thermische Belastungen noch weiter zu verringern, da dieses weiche Lot zwischen den einzelnen Diamantteilen und dem Substrat die Lebensdauer der Anordnung nicht beeinträchtigt.

Die oben genannten Verfahren zur Herstellung der erfindungs­ gemäßen Chipanordnung sind nur beispielhaft, wobei andere Materialien und eine andere Reihenfolge der genannten Schritte verwendet werden können, um eine erfindungsgemäße Chipanordnung zu realisieren.

Claims (22)

1. Chipanordnung bestehend aus einem ersten Chip (10), ei­ ner Verbindungsvorrichtung (12) und zumindest einem zweiten Chip oder einem Substrat (14), wobei die Ver­ bindungsvorrichtung aus einer Mehrzahl einzelner von­ einander beabstandet angeordneter Diamantteile (12) be­ steht, die zwischen den Chips (10) oder zwischen dem ersten Chip (10) und dem Substrat (14) angeordnet und mit denselben verbunden sind.

2. Chipanordnung gemäß Anspruch 1, bei der der erste Chip (10) ein Hochleistungs-Chip und das Substrat (14) ein Kühlsubstrat ist.

3. Chipanordnung gemäß Anspruch 2, bei der das Kühlsub­ strat (14) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem des Hochlei­ stungs-Chips (10) ist.

4. Chipanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die einzelnen, voneinander beabstandeten Diamant­ teile (12) mittels eines Lots (16) mit dem ersten Chip und/oder dem zweiten Chip oder dem Substrat verbunden sind.

5. Chipanordnung gemäß Anspruch 4, bei der als Lot Au(80)Sn(20) oder Pb(37)Sn(63) verwendet ist.

6. Chipanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die einzelnen, voneinander beabstandeten Diamant­ teile (12) mittels eines Thermokompressionsbond-Verfah­ rens mit dem ersten Chip (10) oder dem zweiten Chip oder dem Substrat verbunden sind.

7. Chipanordnung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der das Kühlsubstrat (14) aus Si oder AlN besteht.

8. Chipanordnung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der der Hochleistungs-Chip (10) ein Hochleistungslaser­ barren aus AlGaAs/GaAs oder InGaAs/GaAs ist.

9. Chipanordnung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der das Kühlsubstrat aus Kupfer, Wolfram-Kupfer oder Molybdän-Kupfer besteht.

10. Verfahren zum Verbinden eines ersten Chips (10) mit ei­ nem Substrat (14) mit folgenden Schritten:
ganzflächiges Aufbringen einer Diamantschicht auf das Substrat (14) und Strukturieren der Diamantschicht zum Festlegen einzelner voneinander beabstandeter Diamant­ teile (12); und
Verbinden der einzelnen voneinander beabstandeten Dia­ mantteile (12) mit dem ersten Chip (10).

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Diamantschicht mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die Dia­ mantschicht mittels einer Laserbehandlung strukturiert wird.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die einzelnen, voneinander beabstandeten Diamantteile (12) mittels Lötverfahren mit dem Chip (10) verbunden werden.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die einzelnen, voneinander beabstandeten Diamantteile (12) mittels Thermokompressionsbond-Verfahren mit dem Chip (10) verbunden werden.

15. Verfahren zum Verbinden eines ersten Chips (10) mit ei­ nem zweiten Chip oder einem Substrat (14) mit folgenden Schritten:
Aufbringen einzelner Diamantteile (12) voneinander be­ abstandet auf den ersten Chip (10) oder den zweiten Chip oder das Substrat (14); und
Verbinden der einzelnen, voneinander beabstandeten Dia­ mantteile (12) mit dem anderen der beiden Chips oder dem Substrat (14).

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die einzelnen, voneinander beabstandeten Diamantteile mittels eines Lötverfahrens oder mittels eines Thermokompressionsver­ fahrens mit dem anderen der beiden Chips oder dem Sub­ strat (14) verbunden werden.

17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem die ein­ zelnen Diamantteile (12) mittels einer CVD-Abscheidung unter Verwendung einer Maskierung aufgebracht werden.

18. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem die ein­ zelnen Diamantteile (12) mittels eines Lötverfahrens aufgebracht werden.

19. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem die ein­ zelnen Diamantteile (12) mittels eines Thermokompres­ sionsbond-Verfahrens aufgebracht werden.

20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 19, bei dem der erste Chip (10) ein Hochleistungs-Chip ist und bei dem das Substrat (14) ein Kühlsubstrat ist.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem das Kühlsubstrat (14) aus Kupfer besteht.

22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13, 16 oder 18, bei dem als Lot Au(80)Sn(20) oder Pb(37)Sn(63) verwendet wird.