Laserbasiertes Fügen, Sintern und Kontaktieren

Halbleiterbauelemente werden in der Regel elektrisch verschaltet. Je nach Branche werden dabei unterschiedliche Fügetechnologien eingesetzt. Dies reicht vom klassischen Löten spezieller Verbinder über das Drahtbonden bis hin zum leitfähigen Kleben. Die Güte der Fügestellen ist dabei oftmals maßgeblich für die Lebensdauer des finalen Produkts, welches in der Regel betriebsbedingten thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.  

In der Welt des Fügens sind Laserprozesse heute in vielfältiger Weise etabliert und weisen einige grundlegende Vorteile auf. So arbeitet der Laser berührungslos mit einem sehr niedrigen, exzellent dosierbaren und nach Wunsch lokal begrenzten Wärmeeintrag. Es können ungleiche Fügepartner auch ohne die Verwendung zusätzlicher Materialien wie beispielsweise Lot oder Flussmittel verbunden werden, was die Technologie besonders nachhaltig und günstig macht. Die präzise und schnelle Steuerung der Laserprozesse bietet insbesondere in Verbindung mit einem In-situ-Diagnoseverfahren die Möglichkeit, produktionsbedingte Materialschwankungen auszugleichen und dabei Fügestellen gleichbleibender Qualität zu erzeugen.

Gemeinsam mit unseren Projektpartnerinnen und -partnern arbeiten wir seit dem Jahr 2007 an laserbasierten Mikro-Fügeprozessen zum Anbinden dünnster Aluminiumfolie an unterschiedliche Oberflächen und Materialien. Im Rahmen dieser Forschungsaktivitäten wurde ein ganzer »Baukasten« unterschiedlicher Verbindungsprozesse entwickelt und erprobt. Dies umfasst einerseits Bonding-Prozesse auf Keramiken zur Metallisierung von Halbleiterwafern oder anderen Bauelementen. Weiterhin entwickeln wir Mikro-Schweißprozesse zum Anbinden der Folien an wenige Mikrometer dünne Leiterbahnen aus Silber, Aluminium oder Kupfer. Eingesetzt werden diese Prozesse in der Regel zur elektrischen Verschaltung, wie beispielsweise bei Solarzellen, Batterien oder Komponenten der Leistungselektronik. 

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Laserbasiertes Fügen, Sintern  und Kontaktieren« umfassen:

• Entwicklung von laserbasierten Mikro-Fügeprozessen
• Entwicklung flächiger Bond-Prozesse und dünnster Metallfolien zur Metallisierung von Halbleiterwafern
• Simulation der Laserfügeprozesse

Wir entwickeln Fügeprozesse zum Bonden und Mikroschweißen dünnster Metallfolien an Halbleitersubstrate oder auf Leiterbahnen. Unser Fokus liegt dabei auf Verfahren mit Scanner-geführter Strahlablenkung mit Strahlverfahrgeschwindigkeiten jenseits von einem Meter pro Sekunde. Möglich wird dies einerseits durch die Verwendung dünnster Fügepartner in Verbindung mit leistungsstarken Lasern bis in den Kilowatt-Bereich. Für die Entwicklung stehen uns eine Vielzahl an Scansystemen und Strahlquellen in unserem Klasse-4-Labor zur Verfügung. Wie bei allen Fügeprozessen spielt die Wirkzeit der Wärme eine entscheidende Rolle, welche in unserem Fall sowohl durch die Strahlverfahrgeschwindigkeit in Verbindung mit dem Strahlprofil / der Spotgröße, als auch über die Pulsdauer beeinflusst werden kann. In diesem komplexen Forschungsfeld verfolgen wir weiterhin innovative Ansätze, beispielsweise durch die Überlagerung verschiedener Laser oder durch den Einsatz spezieller Strahltraktorien oder Profile.

Fügeprozesse können neben der Verschaltung von Halbleiterbauelementen auch für deren flächige Kontaktierung genutzt werden. Das Verfahren wurde ursprünglich für PERC-Solarzellen genutzt und weist einige intrinsische Vorteile auf, wie beispielsweise deutlich verbesserte optische Eigenschaften der Solarzellen. Aus diesem Grund wird es heute beispielsweise für solare Anwendungen im Weltraum oder für temperatursensible Solarzellen, wie Silizium-Perowskit-Tandem-Solarzellen weiterentwickelt. Der Fokus unserer Arbeit liegt dabei auf der Herstellung einer möglichst homogenen und spannungsarmen Metallschicht. Möglich scheint der Einsatz dieses günstigen Fertigungsverfahrens überall dort, wo heute standardmäßig PVD-Verfahren zur Abscheidung weniger Mikrometer dünner Metallschichten eingesetzt werden.

Das Verständnis der Laser-Mikromaterialbearbeitungsprozesse ist oft entscheidend, um bestmögliche Ergebnisse zu erhalten. Dies gilt umso mehr, wenn zahlreiche Prozessparameter verändert werden können. Beim Fügen von Materialien handelt es sich in aller Regel um thermisch getriebene Prozesse, auch wenn diese auf der Mikrosekunden-Skala ablaufen. Mit unserer speziell entwickelten Software »LCPSim« können wir die Erwärmung und Phasenübergänge verschiedenster Schichtsysteme für unterschiedlichste Laserstrahlparameter zeitaufgelöst simulieren, und erhalten so ein detaillierteres Verständnis vom tatsächlichen Prozessablauf. Damit ermöglicht die Software, Ingeneurinnen und Ingenieuren, unsere Fügeprozesse in Echtzeit zu analysieren und zu optimieren, was die Effizienz und Geschwindigkeit in der Prozessentwicklung erhöht.