Schichtdesign für die Herstellung einer Phasenübergang unterstützten Wärmesenke (PuW)

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, eine Beschichtung aus einem Zweikomponentensystem zu konstruieren, welches die Aufgabe einer Phasenübergangs unterstützen Wärmesenke (PuW) übernehmen könnte. Eine PuW hat die Eigenschaft, große Energiemengen als latente Wärme speichern zu können und so den Temperaturanstieg eines thermodynamischen Systems bei Wärmezufur zu reduzieren. Eine Beschichtung mit diesen Eigenschaften konnte durch sequentielles Sputtern von Aluminium und Bismut bei einer erhöhten Substrattemperatur realisiert werden. Durch die Eigenschaft von Bismut, bei einer hohen homologen Temperatur auf Aluminium Inseln zu bilden, kann ein stabiles Schichtsystem hergestellt werden. Aluminium übernimmt mit seinem relativ hohen Schmelzpunkt die Aufgabe einer stabilen Matrix, in welche die niedrig schmelzenden Bismutinseln vollständig eingelagert werden konnten. Neben der Optimierung des Aluminium Bismut Mehrschichtsystems wird in dieser Arbeit auch ein Vergleich der gemessenen Inseldichten von Bismut auf Aluminium mit den Ergebnissen aus einem theoretischen Modell verglichen. Dies ermöglicht weitere Aussagen über die zu erwartende Inselgröße und Wachstumsmode in Abhängigkeit von der Beschichtungsrate und Substrattemperatur. Da es sich bei der Komponente Bismut um einen Alphastrahler handelt, wird in dieser Arbeit diesem Thema ein eigenes Kapitel gewidmet. Anhand der Bethe-Formel wurden Vorhersagen über die zu erwartende Eindringtiefe der Alphastrahlung in die Metalle Aluminium und Kupfer getroffen und die Wahrscheinlichkeit der Schädigung der mikroelektronischen Bauteile durch die Alphastrahlung abgeschätzt. Um die Beschichtung zu mikrostrukturieren wurden des Weiteren Lift-Off Versuche auf, mit den Lacken NFR107 und THB15 maskierten Wafern, durchgeführt. Diese Lift-Off Versuche wurden mit den Lösungsmitteln NMP, DMF und TechniStrip P1331 durchgeführt, wobei Letzteres die besten Lösungseigenschaften zeigte. Damit sind alle Voraussetzungen gegeben um die PUW in Thermopulsuntersuchungen an realisitischen Bauteilen zu testen.

The main objective of this work is the construction of a dual component coating called ‘phase change assisted heat sink. Such a material has the special property of being able to store large amounts of energy as latent heat thereby reducing the temperature rise of a thermodynamic system upon the influx of heat To ensure a stable coating, the melting component, which serves as latent heat storage, has to be fully enclosed in a matrix of another metal with a higher melting temperature and high heat conductivity. This has been achieved by a sequentially sputtering aluminum and bismuth. The metals were found to be the perfect components for such a coating due to their divergent melting points. Another important property of this material combination is that bismuth doesnt wet aluminum but grows in islands at elevated substrate temperatures. Furthermore this paper compares the measured island densities of bismuth on aluminum with the results of a theoretical nucleation model. The model then allows the prediction of the island size and growth mode in dependence on the deposition rate and substrate temperature. Since bismuth is an alpha emitter, this property has been examined further. We focused on calculating the penetration depth of alpha radiation in the materials aluminum and copper using the Bethe formulato estimate the probability of damage of electronic components in the vicinity of the heat sink. A surface patterning of the coating was achieved by using substrates which were previously masked with the resists NFR107 and THB15 and then coated. The resists were then removed by the solvent NMP, DMF or TechniStrip P1331. The latter one was found to work the best on both resists. Therefore all prerequisites have been achieved to test the performance of the heat sinks on realistic components by heat pulse experiments.