Chips & Gold: Oxidationsfestes Kupfer soll Gold ersetzen

Neue Erkenntnisse könnten den Goldbedarf der Elektroindustrie in Zukunft senken.

Artikel veröffentlicht am 23. März 2022, 14:45 Uhr, Johannes Hiltscher

Das Gold dieser Bond-Drähte könnte zukünftig durch günstigeres Kupfer ersetzt werden. (Bild: Wikimedia Commons/CC-BY-SA 4.0)

Der Goldbedarf der Elektronikindustrie ist überraschend hoch: allein im dritten Quartal 2021 wurden fast 84 Tonnen verarbeitet. Das Edelmetall kommt überall dort zum Einsatz, wo Leiter gegen Oxidation geschützt werden müssen. Kontakte an Steckern oder Steckkarten werden vergoldet, Halbleiter-Dies und Gehäusekontakte verbinden oft Goldddrähte. Forscher aus Südkorea haben einen Weg gefunden, Kupfer ähnlich widerstandsfähig zu machen wie das wesentlich teurere Gold.

Kupfer ist bei dünnen Leitern problematisch, da es durch den Kontakt zum Luftsauerstoff oxidiert und seine guten elektrischen Leiteigenschaften verliert. Eine sogenannte Passivierung könnte dies verhindern, hierzu wird ebenfalls geforscht. Das Team begann jedoch mit einem anderen Ansatz. Bereits zuvor war bekannt, dass besonders ebene Oberflächen mit gleichmäßiger Kristallstruktur kaum oxidieren. Der Grund: Sauerstoffatome können an ebenen Oberflächen nur schwer eindringen und mit dem Kupfer reagieren. Als problematisch wurden die Kanten von Unebenheiten identifiziert, die mehr als eine Atomlage hoch sind.

Und genau die finden sich bei Kupferleitern vielfach. Normales Kupfer ist polykristallin, es besteht quasi aus sehr feinen Körnern. Besonders hingegen ist monokristallines Kupfer, welches aufwändig hergestellt werden kann. Die Forscher nutzten das sogenannte Sputtern, um eine dünne Materiallage gleichmäßig auf einen Träger aufzubringen. So ließen sie einen dünnen Kupferfilm wachsen, welcher die gewünschten positiven Eigenschaften zeigte. Neben den Erkenntnissen zur Oxidation dokumentiert das in Nature veröffentlichte Paper den Aufbau zum Sputtern.

Werden Chips günstiger?

Könnte das teure Gold durch ein günstigeres Material ersetzt werden, wäre eine weniger kostenintensive Fertigung von Chips möglich. Zwar sind längst nicht mehr alle Halbleiter mittels Golddrähten angebunden (gebondet). Auch machen diese nur wenige Milligramm aus, allerdings ist Gold über 6.000 mal so teuer wie Kupfer. Eine industrielle Anwendung scheint jedoch noch in weiter Ferne zu liegen.

Die feine monokristalline Schicht stellten die Forscher nämlich mit recht hohem Aufwand her. Die genutzte Sputteranlage wurde umgebaut und die Einkristallschicht wuchs auf einem anderen Kupfereinkristall sowie einem polierten Aluminiumoxidwafer. Es handelt sich bei der Studie um Grundlagenforschung sowie ein Proof-of-Concept. Eine Übertragung des Ansatzes auf ein industrielles Verfahren bedeutet noch einiges an Arbeit. Leider finden sich im Paper keine Angaben zu geplanten weiteren Forschungen.