Thermo-kompressives Fügen

Das thermo-kompressive Fügen basiert auf der plastischen Verformung zweier metallischer oder metalloxidischer Flächen. Die metallischen Flächen werden durch Dünnschichtverfahren (sputtern, dampfen) oder galvanisch aufgebracht. Die Schichtdicken können zwischen 100 nm und einigen μm variieren.
Der Vorteil der thermo-kompressiven Fügetechnik im Vergleich zum eutektischen Fügen oder auch Löten sind:

  1. eine höhere Strukturgenauigkeit, da sich das Fügeinterface nicht verflüssigt und somit kaum fliesst,
  2. eine wesentlich höhere thermische Stabilität relativ zur Fügetemperatur, und
  3. somit keine Einschränkung durch Verbindungshierarchien bei sequenziellen Verbindungsschritten.

Im Gegensatz zum anodischen Bonden kann beim thermo-kompressiven Fügen auf das elektrisches Feld verzichtet werden.

Angewandte Schichtsysteme sind unter anderen Platin zu Platin (Bild 1) im Temperaturbereich 450 … 550 °C oder Gold zu Gold bei 250 … 350 °C. Thermo-kompressives Bonden von Platinoberflächen ist geeignet für Hochtemperaturanwendungen, wo eine hohe chemische und mechanische Widerstandsfähigkeit gefordert ist.
Die Gold zu Gold Verbindung ist besonders geeignet für das hermetische Packaging von MEMS, wo die Verbindungstemperatur 300 °C nicht überschreiten soll.

Das thermo-kompressive Fügen von Glas zu Glas eignet sich hervorragend zum Aufbau von strukturierten Glassubstraten (Bild 2). Die Verbindungstemperatur für Dünnglas liegt hier bei 450 … 500°C vergleichbar mit dem anodischen Bonden. Glas zu Glas thermo-kompressives Fügen erweitert die Designfreiheit bei der Herstellung und dem Einkapseln von Mikrosystemen (Bild 3).

Generell stellt die thermo-kompressive Verbindungstechnik höchste Anforderungen an die zu fügenden Substrate bezüglich Dickenvariation und Oberflächenrauheit des Schichtsystems.

Bild 1: SEM-Aufnahme des Fügeinterface zweier mit Platin beschichteten und anschliessend gefügten Siliziumsubstrate
Bild2: Querschnitt des Verbindungsinterface mit integrierten fluidischen Kanälen in Glass
Bild3: Fluidisches System bestehend aus zwei strukturierten Glassubstraten, verbunden mittels thermo-kompressivem Fügen