Leistungsstarke Elektronik braucht immer mehr Anschlüsse auf immer kleinerem Raum. Etablierte Technologien stoßen dabei an die Grenzen des physikalisch Möglichen. Forscher des Fraunhofer IZM-ASSID in Dresden haben gemeinsam mit Partnern eine Verbindungstechnologie mit Drähten im nm-Bereich weiterentwickelt. Die neue Technologie kann vorteilhaft in der industriellen Fertigung von 300 mm-Siliziumwafern eingesetzt werden.
Powerful electronics require more connections in ever smaller spaces. Established technologies are reaching the limits of what is physically possible. Researchers at the Fraunhofer IZM-ASSID in Dresden and their partners have further developed a connection technology with wires in the nm range. This new technology offers advantages in the industrial production of 300 mm silicon wafers.
Rechenzentren müssen unvorstellbar große Datenmengen verarbeiten – nicht erst seit dem KI-Hype. Seit langem müssen in bestimmten Bereichen komplizierte Vorgänge mit extrem hoher Geschwindigkeit abgearbeitet werden. Die Anforderungen an die Rechenleistung steigen immer weiter. Neue Verbindungstechniken können hier ihren Beitrag leisten: Je kleiner der Flächenverbrauch für Anschlüsse ist, desto mehr Transistoren können auf einer gegebenen Chipfläche realisiert werden. Entsprechend leistungsfähiger wird das Produkt. Flip-Chip-Bauteile verwenden Kupferbumps für gelötete Verbindungen. Weiteres Schrumpfen der Strukturen dieser Technologie findet dort seine Grenzen, wo die Lötprozesse Zinnschlüsse zwischen benachbarten Elementen nicht mehr sicher vermeiden können.
Auf der Suche nach Alternativen beschlossen Prof. Dr. Iuliana Panchenko und ihr Team am Fraunhofer IZM-ASSID, neue Verbindungstechniken für Kontakte zu erproben, die auf weniger als 10 µm geschrumpft sind. Im Rahmen des von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten, KMU-Projekts ‚NanoInt' haben sie und ihre Partner des Unternehmens NanoWired eine vielversprechende Option entwickelt, die auf Kupfer-Nanodrähten basiert, und diese erfolgreich für den Einsatz auf 300-mm-Siliziumwafern erprobt.
Durch den galvanischen Prozess können NanoWires auf nahezu jedes Material aufgebracht werden; Bild: NanoWired Die direkte Verbindung in Form von Kupfer-Nanodrähten habe mehrere Vorteile. Durch die steckbare Lösung (Nanodraht an Nanodraht) könnten Designs mit unterschiedlichen Höhen realisiert werden. Es müssten keine weiteren metallischen Materialien verwendet werden, das resultierende System sei mechanisch robust und biete dem Chipdesigner viele Freiheiten. Die Verbindungen könnten bei Raumtemperatur und mit nur begrenztem Bonddruck hergestellt werden, was die Technologie ressourcenschonend und für dünne oder hitzeempfindliche Chips besonders geeignet mache.
Zunächst konzentrierten sich die Forscher darauf, die Nanodrähte an den Kontaktstellen möglichst gleichmäßig über den gesamten 300 mm-Wafer verteilt wachsen zu lassen. Dies gelang ihnen durch die Verwendung spezieller Membranen mit winzigen Poren, die bestimmen, wie dick der Nanodraht wird. Sie können für Dicken von 100 nm bis 1 µm variiert werden. Die Wahl des richtigen Porendurchmessers sei entscheidend, um eine zuverlässige und gut leitende Verbindung herzustellen. Sobald die Membran an ihrem Platz ist, wird ein galvanischer Prozess in Gang gesetzt, und die Kupfer-Nanodrähte können durch die Poren wachsen.
Zur Bewertung der Praxistauglichkeit der neuen Verbindungstechnik testeten die Forscher, wie sich das Verfahren in eine industrielle Prozesskette integrieren lässt. Dabei definierten sie die optimalen Parameter für den Zusammenbau der Systeme und legten besonderes Augenmerk auf Reproduzierbarkeit, Homogenität, mechanische Robustheit und die Machbarkeit der Technologie für den industriellen Einsatz.
An dem Projekt ‚NanoInt' waren das Unternehmen NanoWired, das Fraunhofer IMWS und das IAVT der Technischen Universität Dresden beteiligt.
