Electronic Packaging is currently deeply in need of new solutions concerning vertical interconnection strategies. With respect to downscaling the geometrical limits, entering the nanoscale for first-level interconnects is nothing more than a consequence. This thesis proposes a new strategy for highly resolved vertical interconnects that are realized by metallic nanowires (NWs). These are embedded inside a dielectric matrix enabling the further raster size reduction for chip interconnects. The creation of NW arrays in self-ordering templates (anodized Al2O3 (AAO) and track-etched poly carbonate) by electrochemical deposition of Ag and Ni inside the pores of these as well as the characterisation of the NWs' properties with respect to the film's applicability are to the fore. Electrical properties are shown to be sensitive to the mode of deposition. Crystallographic properties do not seem to be responsible for this while the NWs' morphology slightly differs and is therefore expected to remarkably influence electron transport. Additionally, the deposition mechanism in high-aspect-ratio pores of AAO is in another focus of investigation. This process was in the past described as diffusively controlled, but this assertion was not further evaluated. The presence of a gradient in the diffusion coefficient as well as the presence and expansion of an electrochemical double layer located at the template's inner surface are responsible limiting the deposition process. An existing model of porous electrodes is compared to the measured data and found not to be valid for the system of highly recessed ultramicroelectrode arrays by which this system is described. Therefore a new model that differentiates between charge-transfer and diffusive motion is proposed and shown to fit to the system's properties. Apart from mechanistic investigations, the implementation of the obtained NW arrays as an interconnector film proposes these to be applied best by adhesive bonding. Bonding properties were found to be well realizable by the additional coverage of the filled membranes with a polymer thin film. This can easily be attached onto the film by spin-coating the corresponding monomer and reactive curing while already being embedded in the package. Alternative methods for contact formation, such as non-reactive bonding and nanosoldering using segmented NWs, are proposed. The strategy is shown to still lack important technological questions while the findings with respect to fabrication, growth and implementation are very promising. / Die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik wird in absehbarer Zeit Größenskalen erreichen, bei denen die verwendeten Materialien in der ersten Kontaktierungsebene als Nanomaterialien zu bezeichnen sind, das heißt ≤ 100 nm sind. Des Weiteren bestehen momentan nur bedingt viele Ansätze zu deren Implementierung in Vertikalverbindungsstrukturen (zum Beispiel für die dreidimensionale Integration). Die vorliegende Dissertation schlägt daher vor, die vertikale Verbindung über einen zwischen die Chips laminierbaren Film mit hochdichten und vertikal ausgerichteten nanoskaligen Drähten (NWs) zu realisieren. Diese sind in einer dielektrischen Matrix fixiert und gewährleisten die elektrische Anisotropie des Kontaktfilms. Innerhalb dieser Matrix werden die metallischen Drähte durch elektrochemische Abscheidung erzeugt. Der Fokus dieser Arbeit liegt somit auf der Charakterisierung des reduktiven Wachstumsprozesses von Ag und Ni innerhalb dünner Poren. Dabei können die Eigenschaften durch verschiedene Abscheidemodi gezielt beeinflusst werden. Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften ergibt sich im Vergleich zu der zugrundeliegenden Kristallographie ein wesentlich stärkerer Einfluss der Draht-Morphologie. Der Prozess der Porenfüllung wird im Allgemeinen als stark diffusionskontrolliert angenommen, wurde jedoch bisher nicht weiter quantifiziert. Die der Abscheidung zugrundeliegenden Prozesse Elektrolytdiffusion, Ladungstransfer an der Elektrode und Migrationsbeeinflussung durch die Porengeometrie werden daher voneinander getrennt und einzeln charakterisiert. Das vorliegende System kann als Matrix von stark versenkten Ultramikroelektroden abstrahiert werden. Existente Modelle zur Beschreibung derartiger Systeme treffen auf den vorliegenden Fall im Allgemeinen nicht zu, sodass basierend auf elektrochemischen Untersuchungen ein variiertes Abscheidemodell vorgeschlagen wird. Dieses berücksichtigt die Nicht-Linearität der elektrochemischen Doppelschicht, die von der Porenoberfläche ausgeht sowie deren Frequenzabhängigkeit. Neben mechanistischen Untersuchungen schließen sich Versuche an, deren Fokus auf der direkten Anwendung der mit Nanodrähten gefüllten Membranen liegt. Dabei wird vornehmlich deren Fixierung per Klebeverbindung angestrebt. Die Realisierung klebbarer Filme gelingt über die Auftragung von polymeren Dünnfilmen durch Spin-Coating des jeweiligen Monomeren. Diese Filme werden hinsichtlich ihrer Klebeeigenschaften charakterisiert. Abschließend werden alternative Kontaktiermethoden wie die Thermokompression oder das nanoskalige Löten basierend auf der Herstellung von segmentierten Nanodrähten demonstriert und hinsichtlich ihrer Applizierbarkeit diskutiert. Die erreichten Ergebnisse zeigen den noch vorhandenen Bedarf an technologischer Optimierung sowie Kompatibilisierung auf. Die Erkenntnisse hinsichtlich der Herstellung, des Wachstums sowie der Implementierungsansätze sind jedoch vielversprechend.

Electronic Packaging is currently deeply in need of new solutions concerning vertical interconnection strategies. With respect to downscaling the geometrical limits, entering the nanoscale for first-level interconnects is nothing more than a consequence. This thesis proposes a new strategy for highly resolved vertical interconnects that are realized by metallic nanowires (NWs). These are embedded inside a dielectric matrix enabling the further raster size reduction for chip interconnects. The creation of NW arrays in self-ordering templates (anodized Al2O3 (AAO) and track-etched poly carbonate) by electrochemical deposition of Ag and Ni inside the pores of these as well as the characterisation of the NWs' properties with respect to the film's applicability are to the fore. Electrical properties are shown to be sensitive to the mode of deposition. Crystallographic properties do not seem to be responsible for this while the NWs' morphology slightly differs and is therefore expected to remarkably influence electron transport. Additionally, the deposition mechanism in high-aspect-ratio pores of AAO is in another focus of investigation. This process was in the past described as diffusively controlled, but this assertion was not further evaluated. The presence of a gradient in the diffusion coefficient as well as the presence and expansion of an electrochemical double layer located at the template's inner surface are responsible limiting the deposition process. An existing model of porous electrodes is compared to the measured data and found not to be valid for the system of highly recessed ultramicroelectrode arrays by which this system is described. Therefore a new model that differentiates between charge-transfer and diffusive motion is proposed and shown to fit to the system's properties. Apart from mechanistic investigations, the implementation of the obtained NW arrays as an interconnector film proposes these to be applied best by adhesive bonding. Bonding properties were found to be well realizable by the additional coverage of the filled membranes with a polymer thin film. This can easily be attached onto the film by spin-coating the corresponding monomer and reactive curing while already being embedded in the package. Alternative methods for contact formation, such as non-reactive bonding and nanosoldering using segmented NWs, are proposed. The strategy is shown to still lack important technological questions while the findings with respect to fabrication, growth and implementation are very promising.:List of Figures List of Tables List of Acronyms List of Symbols 1 Nanoscale interconnects 1 1.1 Introduction 1.2 Electronic device development and its consequences 1.3 The need for and the design of a nanoscale wiring film 1.3.1 Nanomaterials for packaging - Some examples 1.3.2 Preconsiderations for designing nanoscale interconnects 1.3.3 Compatitibility of ACANWF to industrial applications 1.3.4 Demands to the film 1.4 Resumée - Strategy 2 NW fabrication by electodeposition and synthesis-property relationships 2.1 Templates for NW electrodeposition 2.1.1 Anodized Al2O3 (AAO) 2.1.2 Track-etched polymer membranes 2.2 Template-assisted Electrochemical Deposition (ECD) of NWs 2.2.1 Concept 2.2.2 Deposition modes 2.2.3 In_uences of other physical parameters 2.2.4 Errors and error mechanisms 2.2.5 Deposition in chemically functionalized AAO 2.3 Synthesis-property relationships for single NWs 2.3.1 NiNWs 2.3.2 AgNWs 2.4 Resumée . 3 Growth processes in mesoporous templates 3.1 Relevance for mechanistic investigations 3.2 Processes during NW growth 3.2.1 Electrode kinetics 3.2.2 Diffusion 3.2.3 Interactions with pore walls 3.3 Model systems 3.3.1 DeLevie's model for porous electrodes 3.3.2 Model verification 3.3.3 Model adaptation to non-ideal behaviour 3.4 Resumée 4 Implementation of nanowire arrays into microelectronic packaging 4.1 Adhesive Bonding 4.1.1 Adhesion by thin adhesive layers 4.1.2 Thermocompression bonds 4.2 Nanosoldering 4.2.1 Deposition of low melting point materials 4.2.2 Segmented nanowires 4.3 Resumée 5 Conclusion and perspectives 5.1 Conclusion 5.2 Perspectives on further investigations 6 Appendices 6.1 Technical equipment 6.2 Experimental methods 6.3 Selected characterisation techniques 6.4 Supplementary Information 6.5 Glossary 6.6 List of publications & presentations Bibliography / Die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik wird in absehbarer Zeit Größenskalen erreichen, bei denen die verwendeten Materialien in der ersten Kontaktierungsebene als Nanomaterialien zu bezeichnen sind, das heißt ≤ 100 nm sind. Des Weiteren bestehen momentan nur bedingt viele Ansätze zu deren Implementierung in Vertikalverbindungsstrukturen (zum Beispiel für die dreidimensionale Integration). Die vorliegende Dissertation schlägt daher vor, die vertikale Verbindung über einen zwischen die Chips laminierbaren Film mit hochdichten und vertikal ausgerichteten nanoskaligen Drähten (NWs) zu realisieren. Diese sind in einer dielektrischen Matrix fixiert und gewährleisten die elektrische Anisotropie des Kontaktfilms. Innerhalb dieser Matrix werden die metallischen Drähte durch elektrochemische Abscheidung erzeugt. Der Fokus dieser Arbeit liegt somit auf der Charakterisierung des reduktiven Wachstumsprozesses von Ag und Ni innerhalb dünner Poren. Dabei können die Eigenschaften durch verschiedene Abscheidemodi gezielt beeinflusst werden. Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften ergibt sich im Vergleich zu der zugrundeliegenden Kristallographie ein wesentlich stärkerer Einfluss der Draht-Morphologie. Der Prozess der Porenfüllung wird im Allgemeinen als stark diffusionskontrolliert angenommen, wurde jedoch bisher nicht weiter quantifiziert. Die der Abscheidung zugrundeliegenden Prozesse Elektrolytdiffusion, Ladungstransfer an der Elektrode und Migrationsbeeinflussung durch die Porengeometrie werden daher voneinander getrennt und einzeln charakterisiert. Das vorliegende System kann als Matrix von stark versenkten Ultramikroelektroden abstrahiert werden. Existente Modelle zur Beschreibung derartiger Systeme treffen auf den vorliegenden Fall im Allgemeinen nicht zu, sodass basierend auf elektrochemischen Untersuchungen ein variiertes Abscheidemodell vorgeschlagen wird. Dieses berücksichtigt die Nicht-Linearität der elektrochemischen Doppelschicht, die von der Porenoberfläche ausgeht sowie deren Frequenzabhängigkeit. Neben mechanistischen Untersuchungen schließen sich Versuche an, deren Fokus auf der direkten Anwendung der mit Nanodrähten gefüllten Membranen liegt. Dabei wird vornehmlich deren Fixierung per Klebeverbindung angestrebt. Die Realisierung klebbarer Filme gelingt über die Auftragung von polymeren Dünnfilmen durch Spin-Coating des jeweiligen Monomeren. Diese Filme werden hinsichtlich ihrer Klebeeigenschaften charakterisiert. Abschließend werden alternative Kontaktiermethoden wie die Thermokompression oder das nanoskalige Löten basierend auf der Herstellung von segmentierten Nanodrähten demonstriert und hinsichtlich ihrer Applizierbarkeit diskutiert. Die erreichten Ergebnisse zeigen den noch vorhandenen Bedarf an technologischer Optimierung sowie Kompatibilisierung auf. Die Erkenntnisse hinsichtlich der Herstellung, des Wachstums sowie der Implementierungsansätze sind jedoch vielversprechend.:List of Figures List of Tables List of Acronyms List of Symbols 1 Nanoscale interconnects 1 1.1 Introduction 1.2 Electronic device development and its consequences 1.3 The need for and the design of a nanoscale wiring film 1.3.1 Nanomaterials for packaging - Some examples 1.3.2 Preconsiderations for designing nanoscale interconnects 1.3.3 Compatitibility of ACANWF to industrial applications 1.3.4 Demands to the film 1.4 Resumée - Strategy 2 NW fabrication by electodeposition and synthesis-property relationships 2.1 Templates for NW electrodeposition 2.1.1 Anodized Al2O3 (AAO) 2.1.2 Track-etched polymer membranes 2.2 Template-assisted Electrochemical Deposition (ECD) of NWs 2.2.1 Concept 2.2.2 Deposition modes 2.2.3 In_uences of other physical parameters 2.2.4 Errors and error mechanisms 2.2.5 Deposition in chemically functionalized AAO 2.3 Synthesis-property relationships for single NWs 2.3.1 NiNWs 2.3.2 AgNWs 2.4 Resumée . 3 Growth processes in mesoporous templates 3.1 Relevance for mechanistic investigations 3.2 Processes during NW growth 3.2.1 Electrode kinetics 3.2.2 Diffusion 3.2.3 Interactions with pore walls 3.3 Model systems 3.3.1 DeLevie's model for porous electrodes 3.3.2 Model verification 3.3.3 Model adaptation to non-ideal behaviour 3.4 Resumée 4 Implementation of nanowire arrays into microelectronic packaging 4.1 Adhesive Bonding 4.1.1 Adhesion by thin adhesive layers 4.1.2 Thermocompression bonds 4.2 Nanosoldering 4.2.1 Deposition of low melting point materials 4.2.2 Segmented nanowires 4.3 Resumée 5 Conclusion and perspectives 5.1 Conclusion 5.2 Perspectives on further investigations 6 Appendices 6.1 Technical equipment 6.2 Experimental methods 6.3 Selected characterisation techniques 6.4 Supplementary Information 6.5 Glossary 6.6 List of publications & presentations Bibliography

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Übertragung der aus der Siliziumtechnologie bekannten Präzision der Strukturierung und die Zuverlässigkeit der Verbindungstechnologie auf andere Materialien wie Kupfer und PMMA. Diese Untersuchung ist auf die Entwicklung der Teiltechnologien Strukturierung und Integration fokussiert und konzentriert sich insbesondere auf die Kombination von Mikrostrukturierung und dreidimensionalen Aufbautechniken einschließlich vertikaler fluidischer Durchkontaktierungen bei den Materialien Silizium, Kupfer und Kunststoff (PMMA). Eine begleitende Charakterisierung und messtechnische Bewertung gestattet die Weiterentwicklung während der Experimentedurchführung und erweitert den Stand der Wissenschaft hinsichtlich der genannten Kombinationen. / The work describes the transfer of well known high precisive and reliable micro technologies for patterning and packaging of Silicon to new materials like Copper and PMMA. This investigation is focused on special patterning technologies and system integration aspects. Furthermore the development of material-dependent micro patterning technologies and multi layer packaging techniques including vertical fluidic interconnects using materials like Silicon, Copper, and PMMA (polymer) is shown. An accompanying characterization and measurement-based evaluation enables the ongoing development while performing experimental analysis. At least a higher state of the art for these complex combinations is reached.

Die Arbeit beschreibt verschiedene technische Ansätze zur Bestimmung der Alterung der Chip-Substrat-Verbindung. Eine der Schlüsseltechnologien ist hierbei die Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur. Es werden in der Arbeit verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung der virtuellen Chiptemperatur von IGBTs und der Alterung der Chip-Substrat-Verbindung vorgestellt und mit ihren Vor- und Nachteilen in der Umsetzbarkeit und in der Anwendbarkeit im Umrichter diskutiert. Besondere Betrachtung findet dabei unter anderem die technische Umsetzung einer Messmethode, die auf einer kurzzeitigen Belastung im aktiven Bereich mit anschließender Bestimmung des Abkühlverhaltens basiert. Über einen Vergleich mit dem ursprünglichen Abkühlverhalten ist es mit den vorgestellten Verfahren gut möglich, die Chipalterung zu detektieren. Weiterhin wird ein Verfahren vorgestellt, das die Bestimmung der virtuellen Chiptemperatur im Umrichter über eine Ermittlung der Millerplateauhöhe im Abschaltmoment des IGBTs ermöglicht.:1 Einleitung 2 Alterung von Leistungshalbleitern 3 Stand der Technik der Chiptemperaturbestimmung in der Umrichterschaltung 4 Untersuchungen temperaturabhängiger elektrischer Bauelementparameter 5 Wichtige Verfahren zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung 6 Untersuchung eines Verfahrens zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung mittels Millerplateauhöhe 7 Technische Umsetzbarkeit der gezeigten Messverfahren 8 Zusammenfassung und Ausblick A Anhang / This work describes different technical approaches to determine the aging of the chip-substrate interconnection. One of the key technologies here is the determination of the virtual junction temperature. Various possibilities for determining the virtual chip temperature of IGBTs and the aging of the chip-substrate interconnection are presented in the work and discussed with their advantages and disadvantages in terms of feasibility and applicability in the converter. Special consideration is given to the technical implementation of a measurement method based on a short-term load in the active area with subsequent determination of the cooling behavior. By comparing this with the original cooling behavior, it is possible to detect chip aging with the methods presented. Furthermore, a method is presented that enables the determination of the virtual chip temperature in the inverter via a determination of the Miller plateau height at the switch-off moment of the IGBT.:1 Einleitung 2 Alterung von Leistungshalbleitern 3 Stand der Technik der Chiptemperaturbestimmung in der Umrichterschaltung 4 Untersuchungen temperaturabhängiger elektrischer Bauelementparameter 5 Wichtige Verfahren zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung 6 Untersuchung eines Verfahrens zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung mittels Millerplateauhöhe 7 Technische Umsetzbarkeit der gezeigten Messverfahren 8 Zusammenfassung und Ausblick A Anhang

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Übertragung der aus der Siliziumtechnologie bekannten Präzision der Strukturierung und die Zuverlässigkeit der Verbindungstechnologie auf andere Materialien wie Kupfer und PMMA. Diese Untersuchung ist auf die Entwicklung der Teiltechnologien Strukturierung und Integration fokussiert und konzentriert sich insbesondere auf die Kombination von Mikrostrukturierung und dreidimensionalen Aufbautechniken einschließlich vertikaler fluidischer Durchkontaktierungen bei den Materialien Silizium, Kupfer und Kunststoff (PMMA). Eine begleitende Charakterisierung und messtechnische Bewertung gestattet die Weiterentwicklung während der Experimentedurchführung und erweitert den Stand der Wissenschaft hinsichtlich der genannten Kombinationen. / The work describes the transfer of well known high precisive and reliable micro technologies for patterning and packaging of Silicon to new materials like Copper and PMMA. This investigation is focused on special patterning technologies and system integration aspects. Furthermore the development of material-dependent micro patterning technologies and multi layer packaging techniques including vertical fluidic interconnects using materials like Silicon, Copper, and PMMA (polymer) is shown. An accompanying characterization and measurement-based evaluation enables the ongoing development while performing experimental analysis. At least a higher state of the art for these complex combinations is reached.