Achieving the utmost reliability of power semiconductors is an ongoing challenge for the scientists and engineers in the packaging community of the industry and research institutions. Still the semiconductor and therefore the function of the power module could live longer, when only the bonding and joining technologies would be more stable against power and temperature cycling wearout. In particular, the conventional electrical connection to the top and bottom surface of the semiconductor is limiting the lifetime due to degradation. For both, the solder layer under the backside and the Al-wire on the topside of the die, it is necessary to develop new contact technologies, as the substitution of just one connection does not perform the required reliability of the module. In this work, different new technologies for power modules were evaluated and an own development is presented. Especially the new development is characterized by an outstanding reliability while keeping the design flexibility of the currently applied methods. To achieve that, the solder joints were replaced by Ag-sintered connections and Cu-wires were bonded as a substitute of Al-wires. This new approach is called DBB-Technology („Danfoss BondBuffer“) and is demonstrated in the example of a 1700V DBB power module. With the help of this technology sintering creates two joints: One between the bottom of die and the substrate and between the die and a thin Cu-foil, which is located on top. This Cu foil (BondBuffer) enables the Cu-bond process as top contact technology without damaging the semiconductor. The DBB Cu foil acts as an absorber for the high bond-forces. The detailed characterization of a DBB-covered semiconductor module reveals an extraordinary high reliability improvement, enhanced thermal impedance and upgraded electrical properties. / Leistungsmodule unterliegen in der Anwendung vielfältigen, kombinierten Beanspruchungen, die je nach Anwendung eine Herausforderung an unterschiedliche Verbindungsstellen im Modul darstellen. Die Betriebsdauer eines Leistungsmoduls wird im Wesentlichen von den halbleiternahen Aufbau- und Verbindungstechniken limitiert. Das geht z.B. aus umfangreichen Lastwechseluntersuchungen hervor, in denen als Fehlermechanismen die Zerrüttung des Lots unter dem Chip oder das Abheben des Aluminium-Bonddrahts vom Halbleiter identifiziert wurden. Die einzelnen Verbindungsschichten im Leistungsmodul bilden eine Funktionskette, die beim Ausfall nur eines Gliedes die gesamte Funktionalität verliert. Maßnahmen zur Optimierung einzelner Schichten, z. B. der Halbleiter-Substrat-Verbindung oder nur der oberseitigen Chipkontaktierung, bringen alleinstehend also nicht den gewünschten Erfolg. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Aufbaukonzepte leistungselektronischer Module aus Fachveröffentlichungen verglichen, bevor das eigene Konzept beschrieben wird. Die Lösung basiert dabei auf innovativen und sehr robusten Fügetechnologien, die gezielt herkömmliche Verbindungen im Aufbau ersetzen. Das Ergebnis ist ein Leistungsmodul mit verbesserten thermischen, elektrischen und thermo-mechanischen Eigenschaften. Eine wesentliche Rolle spielt dabei das Silbersintern als Alternative zum Löten. Dank der Sintertechnik geht der Halbleiter eine hochfeste Verbindung mit dem Substrat ein. Darüber hinaus ermöglicht die Sintertechnologie das stoffschlüssige Verbinden einer dünnen Kupferfolie mit der oberen Halbleitermetallisierung. Diese Kupferfolie ist erforderlich, um das Cu-Drahtbonden für die oberseitige Kontaktierung der Halbleiter anzuwenden, ohne diesen aufgrund hoher Bondkräfte zu zerstören. Dank der vorteilhaften Materialeigenschaften ist die Cu-Bondverbindung deutlich leistungsfähiger als eine Al-Bondverbindung. Diese Kombination aus robusten Fügestellen trägt den Namen DBB-Technologie („Danfoss BondBuffer“) und soll zukünftig dank der Verfügbarkeit sinterbarer Halbleiter in hochzuverlässigen Leistungsmodulen angewendet werden.

Universiẗat, Diss., 2002--Bremen.

With the recent increase in Gold (Au) wire cost Copper (Cu) wire becomes an attractive way to manage overall package cost. On the other hand, Copper wire bonding introduces much higher mechanical impact to underlying BEoL structures and actives because of the higher stiffness and lower ductility of Copper compared to Gold. These trends are accompanied by the application of new porous or nano-particle filled materials like low-k and ultra low-k materials for Back-end of Line (BEoL) layers of advanced CMOS technologies. As a result, higher delamination and cracking risks in BEoL structures underneath bonded areas represent an increasing challenge for the thermo-mechanical reliability requirements. To overcome the related reliability issues the authors performed a two level nonlinear FEM-simulation approach. Initially nonlinear axi-symmetric modeling and simulation of the copper bonding process are coupled with a spatial simulation model of the whole BeoL and bond pad structure. Cracking and delamination risks are estimated by a surface based cohesive contact approach and the utilization of a crushing foam constitutive material model for ultra low-k materials.

Die Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung von Halbleiterwaferbondtechnologien mit strukturierten Glaszwischenschichten. Im Mittelpunkt steht dabei das Glaslotbonden mittels niedrigschmelzender Gläser, die als Pasten durch Siebdruck strukturiert aufgetragen und thermisch konditioniert werden, bevor sie thermo-kompressiv gebondet werden. Die Eigenschaften der Bondverbindung und des Glaslotes wurden untersucht. Weiterhin sind unterschiedliche Anwendungsbeispiele (oberflächenmikromechanische und optische Sensoren, sowie trimmbare Widerstände) aufgeführt. / This work is a contribution to the development of semiconductor wafer bonding technologies by structured glass inter layers. The main aspect is the glass frit bonding using low melting point glass, deposited as a paste by screen printing as structured layer and thermal conditioned to a real glass before the thermo-compressive bonding. The properties of the bond interface and the bonding glass are investigated. Several examples (surface micro-mechanical and optical sensors as well as trimmable resistors) are given.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Achieving the utmost reliability of power semiconductors is an ongoing challenge for the scientists and engineers in the packaging community of the industry and research institutions. Still the semiconductor and therefore the function of the power module could live longer, when only the bonding and joining technologies would be more stable against power and temperature cycling wearout. In particular, the conventional electrical connection to the top and bottom surface of the semiconductor is limiting the lifetime due to degradation. For both, the solder layer under the backside and the Al-wire on the topside of the die, it is necessary to develop new contact technologies, as the substitution of just one connection does not perform the required reliability of the module. In this work, different new technologies for power modules were evaluated and an own development is presented. Especially the new development is characterized by an outstanding reliability while keeping the design flexibility of the currently applied methods. To achieve that, the solder joints were replaced by Ag-sintered connections and Cu-wires were bonded as a substitute of Al-wires. This new approach is called DBB-Technology („Danfoss BondBuffer“) and is demonstrated in the example of a 1700V DBB power module. With the help of this technology sintering creates two joints: One between the bottom of die and the substrate and between the die and a thin Cu-foil, which is located on top. This Cu foil (BondBuffer) enables the Cu-bond process as top contact technology without damaging the semiconductor. The DBB Cu foil acts as an absorber for the high bond-forces. The detailed characterization of a DBB-covered semiconductor module reveals an extraordinary high reliability improvement, enhanced thermal impedance and upgraded electrical properties. / Leistungsmodule unterliegen in der Anwendung vielfältigen, kombinierten Beanspruchungen, die je nach Anwendung eine Herausforderung an unterschiedliche Verbindungsstellen im Modul darstellen. Die Betriebsdauer eines Leistungsmoduls wird im Wesentlichen von den halbleiternahen Aufbau- und Verbindungstechniken limitiert. Das geht z.B. aus umfangreichen Lastwechseluntersuchungen hervor, in denen als Fehlermechanismen die Zerrüttung des Lots unter dem Chip oder das Abheben des Aluminium-Bonddrahts vom Halbleiter identifiziert wurden. Die einzelnen Verbindungsschichten im Leistungsmodul bilden eine Funktionskette, die beim Ausfall nur eines Gliedes die gesamte Funktionalität verliert. Maßnahmen zur Optimierung einzelner Schichten, z. B. der Halbleiter-Substrat-Verbindung oder nur der oberseitigen Chipkontaktierung, bringen alleinstehend also nicht den gewünschten Erfolg. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Aufbaukonzepte leistungselektronischer Module aus Fachveröffentlichungen verglichen, bevor das eigene Konzept beschrieben wird. Die Lösung basiert dabei auf innovativen und sehr robusten Fügetechnologien, die gezielt herkömmliche Verbindungen im Aufbau ersetzen. Das Ergebnis ist ein Leistungsmodul mit verbesserten thermischen, elektrischen und thermo-mechanischen Eigenschaften. Eine wesentliche Rolle spielt dabei das Silbersintern als Alternative zum Löten. Dank der Sintertechnik geht der Halbleiter eine hochfeste Verbindung mit dem Substrat ein. Darüber hinaus ermöglicht die Sintertechnologie das stoffschlüssige Verbinden einer dünnen Kupferfolie mit der oberen Halbleitermetallisierung. Diese Kupferfolie ist erforderlich, um das Cu-Drahtbonden für die oberseitige Kontaktierung der Halbleiter anzuwenden, ohne diesen aufgrund hoher Bondkräfte zu zerstören. Dank der vorteilhaften Materialeigenschaften ist die Cu-Bondverbindung deutlich leistungsfähiger als eine Al-Bondverbindung. Diese Kombination aus robusten Fügestellen trägt den Namen DBB-Technologie („Danfoss BondBuffer“) und soll zukünftig dank der Verfügbarkeit sinterbarer Halbleiter in hochzuverlässigen Leistungsmodulen angewendet werden.

This paper discusses basic issues of micromachined ultrasonic transducers, including their design and fabrication. First, the acoustic fundamentals of ultrasonic transducers are introduced, and relevant simulation methods are illustrated. Following these topics, important aspects of silicon micromachining are presented. Based on this knowledge, two distinctive micromachining processes for transducer fabrication are proposed. One of them, the bulk process, has been proved to be successful, whereas for the second one, a surface process, some improvements are still needed. Besides these works, an innovative direct bonding technology is also developed. This technology constitutes the basis of the bulk process. Of course, it can also be used for the packaging of other MEMS devices.

In dieser Arbeit wurde die alte Designvariante des Fabry-Pérot-Filters (FPI4) hinsichtlich Performance und Ausbeute untersucht. Zielstellung war eine Optimierung, welche die Probleme wie Sticking, Kurzschluss zwischen Schirm und Elektrode sowie Defekte bei den Vereinzelungsverfahren beseitigen sollten. Ferner wurden eine Chipbezeichnung und eine neue geteilte Elektrode anvisiert. Ergebnis dieser Optimierung war das neue Design FPI5. Weiterhin wurde neben der Auslegung des FPI5 für das adhäsive Bonden mit SU8 eine Designvariante für das direkte Bonden realisiert. Das direkte Bonden konnte bereits bei den FPI mit zwei beweglichen Reflektorträgern erfolgreich getestet werden und soll nun auf die Designvariante mit nur einem beweglichen Reflektorträger übertragen werden. Außerdem wurde eine Überprüfung der SU8-Bondfestigkeit durchgeführt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die bis dato benutzten Bondparameter nicht das Optimum bezüglich der Bondfestigkeit darstellen, da in Testverbunden mit veränderten Bondparametern bis zu 50 % höhere Bondfestigkeiten erreicht wurden. / This work presents a new design type of the older well known tunable micromachined Fabry-Pérot filter (FPI4). Compared to the previous system the new design (FPI5) aimed to avoid the problems as sticking, short circuit between the shield and the electrode as well as the malfunction in dicing and separation. Furthermore an identification mark and a new separated electrode were to be improved. The conclusion of this optimization was the new Design FPI5. The whole geometry was in addition to the adhesive bonding with SU8 moreover designed for the direct bonding, which was successfully verified in the FPI design with two moveable reflector carriers. Additionally a verification of the bonding strength at different bonding parameters was done. This verification showed that a 50 % higher bonding strength could be achieved by using the new bonding parameters in comparison to the normally used bonding parameters.

Die Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung von Halbleiterwaferbondtechnologien mit strukturierten Glaszwischenschichten. Im Mittelpunkt steht dabei das Glaslotbonden mittels niedrigschmelzender Gläser, die als Pasten durch Siebdruck strukturiert aufgetragen und thermisch konditioniert werden, bevor sie thermo-kompressiv gebondet werden. Die Eigenschaften der Bondverbindung und des Glaslotes wurden untersucht. Weiterhin sind unterschiedliche Anwendungsbeispiele (oberflächenmikromechanische und optische Sensoren, sowie trimmbare Widerstände) aufgeführt. / This work is a contribution to the development of semiconductor wafer bonding technologies by structured glass inter layers. The main aspect is the glass frit bonding using low melting point glass, deposited as a paste by screen printing as structured layer and thermal conditioned to a real glass before the thermo-compressive bonding. The properties of the bond interface and the bonding glass are investigated. Several examples (surface micro-mechanical and optical sensors as well as trimmable resistors) are given.

With the recent increase in Gold (Au) wire cost Copper (Cu) wire becomes an attractive way to manage overall package cost. On the other hand, Copper wire bonding introduces much higher mechanical impact to underlying BEoL structures and actives because of the higher stiffness and lower ductility of Copper compared to Gold. These trends are accompanied by the application of new porous or nano-particle filled materials like low-k and ultra low-k materials for Back-end of Line (BEoL) layers of advanced CMOS technologies. As a result, higher delamination and cracking risks in BEoL structures underneath bonded areas represent an increasing challenge for the thermo-mechanical reliability requirements. To overcome the related reliability issues the authors performed a two level nonlinear FEM-simulation approach. Initially nonlinear axi-symmetric modeling and simulation of the copper bonding process are coupled with a spatial simulation model of the whole BeoL and bond pad structure. Cracking and delamination risks are estimated by a surface based cohesive contact approach and the utilization of a crushing foam constitutive material model for ultra low-k materials.