Protective reactive joining of micro-systems

The cross-border challenge is that very specialist technological expertise has been built up in the field of micro-technology, on one side in the southern part of Baden-Wuerttemberg, and on the other side in the regions of Switzerland involved. On the other hand, the opportunity for networking and scientific exchange is lacking in the border region, as networks such as the leading-edge MicroTEC Südwest cluster end at the national border. By developing an innovative technological process, it is anticipated that the research and innovation capability of the region will be increased thanks to the extension of cross-border research capacities. Viewed historically, the lack of networking can also be recognised, for example, in the watch and clock industry. There is a long tradition of watch and clock production in both regions. However, the type of products have developed completely differently. On the one hand, in the Black Forest in particular, the watch and clock industry has disappeared, with a few exceptions. On the other hand, many precision engineering firms have emerged due to the expertise built up from timepiece production, and some of these have further developed into modern technology companies. In this respect, it should also be mentioned that the Hahn-Schickard company came about from the “Forschungsgesellschaft für Uhren- und Feingerätetechnik” (research company for timepieces and precision engineering) founded in 1955. It is a renowned company in the field of micro-system technology today. Since then, micro components for modern timepieces made of silicon are being produced at Hahn-Schickard once again. The customer is a timepiece manufacturer in Switzerland. This shows that there is a high potential for cross-border cooperation in the field of research and development. However, up to now there have been insufficient opportunities to extend this cooperation and implement it as added value for the Alpine Rhine-Lake Constance-High Rhine region. The complementarity of the partners are to be deployed in the context of the project, the different but interdependent experiences are to be combined, and advantageous synergetic effects achieved from this. With the development of components from micro-technology or micro-sensors, there is often the requirement for a low-stress, permanent heat-conducting joining connection with the substrate that is as good as possible. In many cases, conventional reflow solders cannot be used because, either the components cannot withstand the temperatures occurring without damage, or they are under high thermo-mechanical stress after cooling off, which has a negative effect on their characteristics. The reactive joint is one such innovative process, enabling low-stress, high-strength and good heat-conducting join connections, without putting the components under thermal stress. The reactive joint is based on a very fast-running exothermic reaction, transferring the heat for the soldering process virtually only in the area of the join, so that the components are not heated up. However, a shock wave is generated in the join area due to the rapid heating up, and this can lead to the failure of very sensitive components such as semiconductor-based sensors or Peltier elements. The objective of this project is to lessen this shock wave through suitable measures, to enable reactive join process for sensitive components. The following measures are planned to disseminate the results: - Scientific technological report on the project results - Technological transfer in a special process demonstration for companies that are interested - Workshop for the industry in the field of sensors. The anticipated effects are as follows: - Increasing institutional cooperation in the region - Technological progress in connection technology for micro-systems - Introduction of the process developed via industry partners in the region - Strengthening of the market position of industry partners.

Die grenzüberschreitende Herausforderung liegt darin, dass einerseits im Süden von Baden-Württemberg und andererseits auch in den betroffenen Regionen der Schweiz sehr spezielles technologisches Know-how im Bereich der Mikrotechnik aufgebaut worden ist. Andererseits fehlt gerade in der Grenzregion die Möglichkeit einer Vernetzung und des wissenschaftlichen Austauschs, da die Netzwerke wie beispielsweise das Spitzencluster MicroTEC Südwest an der nationalen Grenze endet. Durch Erarbeitung eines innovativen technologischen Prozesses wird erwartet, dass sich die Forschungs- und Innovationsfähigkeit der Region dank der Erweiterung der grenzüberschreitenden Forschungskapazitäten steigern wird. Historisch betrachtet ist die fehlende Vernetzung auch am Beispiel der Uhrenindustrie zu erkennen. In beiden Regionen gibt es eine lange Tradition in der Fertigung von Uhren. Allerdings hat sich die Art der Produkte völlig unterschiedlich entwickelt. Einerseits ist insbesondere im Schwarzwald die Uhrenindustrie bis auf wenige Ausnahmen völlig verschwunden. Andererseits sind aus dem durch die Uhrenfertigung aufgebauten Know-how viele feinwerktechnische Unternehmen entstanden, die sich zum Teil zu modernen Technologieunternehmen weiterentwickelt haben. In diesem Zusammenhang ist ebenfalls zu erwähnen, dass die Hahn-Schickard-Gesellschaft aus der im Jahr 1955 gegründeten „Forschungsgesellschaft für Uhren- und Feingerätetechnik“ hervor ging und heute eine renommierte Gesellschaft im Bereich der Mikrosystemtechnik darstellt. Mittlerweile werden bei Hahn-Schickard wieder Mikrobauteile für moderne Uhren durch Mikrobearbeitung von Silizium hergestellt. Der Kunde ist ein Uhrenhersteller in der Schweiz. Dies zeigt, dass es ein hohes Potenzial für eine grenzüberschreitende Kooperation im Bereich Forschung und Entwicklung gibt. Allerdings gibt es bisher noch nicht genügend Möglichkeiten, diese Kooperation auszubauen und in eine Wertschöpfung für die Region Alpenrhein-Bodensee-Hochrhein umzusetzen. Im Rahmen des Projektes soll die Komplementarität der Partner genutzt, die unterschiedlichen aber ergänzenden Erfahrungen kombiniert und damit vorteilhafte Synergieeffekte erzielt werden. Beim Aufbau von Bauelementen aus der Mikroelektronik oder Mikrosensorik besteht häufig der Bedarf nach einer stressarmen, dauerhaft festen und möglichst gut wärmeleitenden Fügeverbindung mit dem Substrat. In vielen Fällen kann konventionelles Reflowlöten nicht eingesetzt werden, weil die Bauelemente entweder die auftretenden Temperaturen nicht schadlos überstehen oder nach dem Abkühlen unter hohem thermomechanischem Stress stehen, was sich negativ auf deren Eigenschaften auswirkt. Das reaktive Fügen ist solch ein innovatives Verfahren, das stressarme, hochfeste und gut wärmeleitende Fügeverbindungen ermöglicht, ohne die Bauteile thermisch zu belasten. Das reaktive Fügen basiert darauf, dass durch eine sehr schnell ablaufende exotherme Reaktion die Wärme für den Lötprozess praktisch nur in der Fügezone auftritt, die Bauelemente jedoch nicht erwärmt werden. Allerdings wird durch die rasche Erwärmung und Abkühlung in der Fügezone eine Stoßwelle erzeugt, die zum Ausfall von sehr empfindlichen Bauteilen, wie z.B. halbleiterbasierten Sensoren oder Peltierelementen, führen kann. Ziel dieses Projekts ist es daher, durch geeignete Maßnahmen diese Stoßwelle zu dämpfen, um dadurch den reaktiven Fügeprozess für empfindliche Bauelemente zu ermöglichen. Zur Verbreitung der Ergebnisse sind folgende Maßnahmen geplant: wissenschaftlich-technologischer Bericht der Projektergebnisse technologischer Transfer, im speziellen Prozessvorführung für interessierte Firmen Workshop für die Industrie im Bereich Sensoren. Die erwarteten Wirkungen sind folgende: Stärkung einer institutionellen Zusammenarbeit in der Region Technologischer Fortschritt in der Verbindungstechnik für Mikrosysteme Einführung des erarbeiteten Prozesses durch Industriepartner in der Region Stärkung der Marktposition der Industriepartner.

The aim of this project was to optimise the reactive joining, an innovative soldering process running at room temperature, by means of appropriate measures to enable the process to be applied to sensitive components. Sensitive components include, in particular, silicon and glass chips and thin glass lids for encapsulation of ceramic housings. Further, overarching objectives were the strengthening of institutional cooperation in the region as well as cross-border research capacities through the cooperation of Hahn-Schickard (Hahn-Schickard-Gesellschaft für Angewandtee Forschung e.V.) based in Villingen-Schwenningen, Germany and the Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) in Dübendorf, Switzerland. The project was divided into the following phases: Project phase 1 (01.06.2016-30.09.2016): Investigations of the dynamics of the joining process. Project phase 2 (01.10.2016-31.05.2018): Optimisation of processes. Project phase 3 (01.06.2018-30/11/2018): Demonstrator, process description and transfer. In particular, the following work has been carried out: Project phase 1: The reactive joining is based on a reaction between different metal layers, in which a lot of heat is produced locally within milliseconds, which is used for soldering. This process is accompanied by a mechanical shock wave. Hahn-Schickard has therefore set up a measuring station that enables in-situ acceleration measurement during the reactive joining process. The measurements show a clear peak, which can be assigned to the conclusion of the reaction in time. However, the acceleration pulse (i.e. the mechanical shock wave) cannot be clearly attributed to the rapid, thermally caused volume change, but is probably mainly caused by the abrupt displacement of the liquid solder and the loss of the reactive film. This can be read indirectly from the fact that higher signals often correlate with a greater decrease in the solder layer and thicker reactive films. At Empa, high-speed video recordings were performed during the joining process. On the one hand, this served to track and analyse the timing of the reaction. On the other hand, the generated video sequences can be used well to illustrate the fast reactive joining process. This plays an important role in the transfer of results to the economy. Project phase 2: In this project phase, the partners jointly carried out extensive test series for joining materials commonly used in microtechnology such as alumina ceramics, silicon, borosilicate glass and copper. The main objective was to develop an understanding of the dynamics of heat development when joining the different materials. Elastic components were used to improve the induction of force during the joining process. Another aspect was the test series for modifying the laser-structured preform geometry of the reactive films. Furthermore, non-destructive examinations were carried out by ultrasound and shear tests to test the strength of the joints. In addition, metallographic cross-cuts were produced and analysed. The detailed results of the experiments were presented at national and international conferences and workshops. In addition, the technical results were presented in publications. In addition, climate tests were carried out to demonstrate the long-term stability of the reactively assembled components. Project phase 3: Finally, a ceramic chip housing with a cover made of borosilicate glass was selected and constructed as a demonstrator for the gentle joining. As part of the transfer activities, the results were presented on 15 March 2018 at the InnovationForum Smart Technologies and Systems in Donaueschingen. In addition to a specialist presentation, the project results were also presented at a trade fair stand in order to bring company representatives into personal conversations about the potential of reactive joining technology. This event was very suitable for this purpose, as many participants from the Interreg region were represented.

Ziel dieses Projekts war es, das reaktive Fügen, ein bei Raumtemperatur ablaufender innovativer Lötprozess, durch geeignete Maßnahmen derart zu optimieren, dass dadurch die Anwendung des Prozesses für empfindliche Bauelemente ermöglicht wird. Zu den empfindlichen Bauelementen zählen insbesondere Chips aus Silizium und Glas und dünne Glasdeckel als Verkapselung von Keramik-Gehäusen. Weitergehende, übergeordnete Ziele waren die Stärkung der institutionellen Zusammenarbeit in der Region sowie der grenzüberschreitenden Forschungskapazitäten durch die Zusammenarbeit von Hahn-Schickard (Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.) mit Sitz in Villingen-Schwenningen, Deutschland und der Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) in Dübendorf in der Schweiz. Das Projekt gliederte sich in folgende Phasen: Projektphase 1 (01.06.2016 - 30.09.2016): Untersuchungen der Dynamik des Fügeprozesses. Projektphase 2 (01.10.2016 - 31.05.2018): Optimierung der Prozesse. Projektphase 3 (01.06.2018 - 30.11.2018): Demonstrator, Prozessbeschreibung und Transfer. Im Einzelnen wurden folgende Arbeiten durchgeführt: Projektphase 1: Das reaktive Fügen basiert auf einer Reaktion zwischen unterschiedlichen Metallschichten, bei der innerhalb von Millisekunden lokal sehr viel Wärme entsteht, die zum Löten genutzt wird. Dieser Vorgang geht mit einer mechanischen Stoßwelle einher. Bei Hahn-Schickard wurde deshalb ein Messplatz aufgebaut, der die in-situ Beschleunigungsmessung während des reaktiven Fügeprozesses ermöglicht. Die Messungen zeigen einen eindeutigen Peak, der sich zeitlich dem Abschluss der Reaktion zuordnen lässt. Der Beschleunigungsimpuls (d.h. die mechanische Stoßwelle) lässt sich allerdings nicht eindeutig der schnellen, thermisch verursachten Volumenänderung zuordnen, sondern wird vermutlich hauptsächlich durch das abrupte Verdrängen des flüssigen Lots und den Schwund der abreagierten Reaktivfolie verursacht. Dies kann indirekt daran abgelesen werden, dass häufig höhere Signale mit stärkerer Abnahme der Lotschicht und dickeren Reaktivfolien korrelieren. Bei der Empa wurden Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen während des Fügeprozesses durchgeführt. Dies diente einerseits dazu, den zeitlichen Ablauf der Reaktion verfolgen und analysieren zu können. Andererseits können die erzeugten Video-Sequenzen gut zur Veranschaulichung des schnellen reaktiven Fügeprozesses eingesetzt werden. Dies spielt eine wichtige Rolle beim Transfer der Ergebnisse in die Wirtschaft. Projektphase 2: In dieser Projektphase wurden von den Partnern gemeinsam umfangreiche Versuchsserien zum Fügen von in der Mikrotechnologie häufig eingesetzten Materialien wie Aluminiumoxid-Keramik, Silizium, Borosilikatglas und Kupfer durchgeführt. Hauptziel war ein Verständnis für die Dynamik der Wärmeentwicklung beim Fügen der unterschiedlichen Materialien zu entwickeln. Zur Verbesserung der Krafteinleitung während des Fügeprozesses wurden elastische Komponenten eingesetzt. Ein weiterer Aspekt waren die Versuchsreihen zur Modifikation der laserstrukturierten Preform-Geometrie der Reaktivfolien. Weiterhin wurden zerstörungsfreie Untersuchungen durch Ultraschall und Scherversuche zur Prüfung der Festigkeit der Fügeverbindungen durchgeführt. Zusätzlich wurden metallographische Querschliffe hergestellt und analysiert. Die detaillierten Ergebnisse der Versuche wurden bei nationalen und internationalen Konferenzen und Workshops vorgetragen. Darüber hinaus wurden die technischen Ergebnisse in Publikationen präsentiert. Ergänzend wurden Klimatests durchgeführt, um die Langzeitstabilität der reaktiv gefügten Bauteile nachzuweisen. Projektphase 3: Abschließend wurde als Demonstrator für das schonende Fügen ein keramisches Chipgehäuse mit einem Deckel aus Borosilikatglas ausgewählt und aufgebaut. Im Rahmen der Transfertätigkeiten wurden die Ergebnisse am 15.03.2018 beim InnovationForum Smarte Technologien und Systeme in Donaueschingen vorgestellt. Neben einem Fachvortrag wurden die Projektergebnisse auch an einem Messestand präsentiert, um Firmenvertretern in persönlichen Gesprächen die Potenziale der reaktiven Fügetechnologie nahezubringen. Diese Veranstaltung war für diesen Zweck sehr gut geeignet, da viele Teilnehmer aus der Interreg-Region vertreten waren.