Waferlevel-Prozess zur Abscheidung dicker Aluminium-Schichten für die Aufbau- und Verbindungstechnik

Chemnitz / 19.6.2019

Auf der Sensor+Test 2019 in Nürnberg stellte das Fraunhofer ENAS einen galvanischen Prozess für die Herstellung dicker Aluminiumschichten auf Substraten bis 150 mm vor.

© Fraunhofer ENAS
150 mm Silizium-Wafer mit Aluminium-Bondrahmen für das Al-Al-Thermokompressionsbonden auf Aluminium-Startschicht.
© Fraunhofer ENAS
Schräglichtmikroskopaufnahme von strukturiertem Aluminium mit vier 18 µm Drahtbonds.

Das Fraunhofer ENAS hat in dem vom BMBF-geförderten Verbundprojekt „AioLi“ (FKZ: 16ES0329K) einen Prozess zur Abscheidung von dicken Aluminiumschichten auf Leiterplatten-, Silizium- und Keramiksubstraten entwickelt. Aufgrund negativen Standardpotentials von Aluminium erfolgt die galvanische Abscheidung aus ionischen Flüssigkeiten, da in wässrigen Elektrolyten keine Abscheidung von Aluminium möglich ist. Mit diesem Abscheideverfahren können Schichtdicken bis derzeit 30 µm auf 150-Millimeter-Substraten erreicht werden. Die Beschichtung auf Waferlevel ist damit weltweit einzigartig. Die Schichten können als Leiterbahn, als Bondpads oder auch als Bondrahmen für Chip- und Waferlevel-Fügeverfahren genutzt werden. Die Strukturierung der Schichten erfolgt über eine Lackmaske, dem sogenannten Pattern Plating, so dass anschließend nur die Startschicht geätzt werden muss. Die elektrischen Eigenschaften des galvanisch hergestellten Aluminiums entsprechen zu 87 Prozent denen von Bulkmaterial. Damit sind die Eigenschaften der galvanischen Schichten um 10 Prozent besser als die von Aluminium-Schichten aus der Gasphase.  


Die weiteren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben als langfristiges Ziel, das galvanisches Aluminium sowohl in der Leiterplattentechnik als auch in der Halbleitertechnik zur Anwendung kommt. Aluminium stellt aufgrund seiner Materialeigenschaften eine gute Alternative zu Kupfer in der Leiterplatte dar. In der Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik ist Aluminium als Abschlussmetallisierung etabliert. Ein homogenes Materialsystem wäre also mit Hilfe von Ultraschall-Flip Chip Montage mit Aluminium-Pillars (statt Zinn-Bumps) durchaus realisierbar.


Die nächsten Schritte sollen daher auf dem Gebiet der Aufbau- und Verbindungstechnik auf Aluminium-Oberflächen sowie der Beschichtung von Topografien, wie Durchkontaktierungen oder Sacklöchern, in der Leiterplatte und auf Halbleitersubstraten stattfinden. Die Skalierung des Prozesses auf 200-Millimeter-Wafer bzw. größere Rechtecksubstrate ist ebenfalls angedacht. Dafür muss aber auch an der Anlagentechnik einiges getan werden, um von Laborequipment zu industrietauglichen Anlagen zu skalieren. Für diese weiteren Entwicklungsschritte werden interessierte Unternehmen gesucht, die ein Anwendungsszenario identifiziert haben und sich eine Kooperation auf diesem Gebiet vorstellen können. Weiterhin kann die Beschichtung auch als Dienstleistung auf kundenspezifischen Substraten hinsichtlich Größe, Material, Startschichten, etc. adaptiert werden.


Am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Nr. 248) in Halle 5 stellt das Fraunhofer ENAS den Prozess und die Einsatzmöglichkeiten von galvanischem Aluminium vor.