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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen
von mindestens vier Bondverbindungen zwischen Kontaktflächen eines
Halbleiterchips und Kontaktausschlußfahnen eines Zwischenträgers und
ein Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen von mindestens vier
Bondverbindungen.
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Derartige
Vorrichtungen sind zum Kontaktieren und Umverdrahten von Halbleitersubstraten
erforderlich, wobei mit herkömmlichen
Kontaktierungs- oder Bondvorrichtungen das Herstellen von Bondverbindungen
sehr langwierig ist, da eine Bondverbindung nach der anderen hergestellt
werden muß und damit
kostenintensive Prozesse verbunden sind. Diese serielle Herstellung
von Kontakt zu Kontakt mit konventionellen Vorrichtungen, wie Ultraschallbonder,
Thermosonicbonder oder Thermokompressionsbonder, erfordert Präzisionsgeräte, da jede
Bondposition mikroskopisch genau nacheinander anzusteuern, zu justieren
und einzeln zu bonden ist.
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Aufgrund
der geforderten Temperaturfestigkeit sind bei der Herstellung der
Vielzahl von Bondverbindungen bisher praktisch keine konventionellen Lötverfahren
zum Einsatz gekommen, sondern ausschließlich Schweißverfahren
wie das oben erwähnte Ultraschallbonden,
Thermokompressionsbonden oder Ähnliche.
Diese Verfahren haben den wesentlichen Nachteil, daß jeweils
nur ein Kontakt hergestellt werden kann und die Vielzahl der Kontaktflächen somit
seriell abgearbeitet werden muß,
was sehr zeitaufwendig und damit kostenintensiv ist.
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JP 10-275 832 A und
JP-08 172 113 A offenbaren
jeweils ein Bondierwerkzeug mit einem zweiköpfigen Vorsprung.
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JP 06-252 321 A offenbart
Vorsprünge
mit Druckfedern, die mit Hilfe von Lasteinstellschrauben individuell
eingestellt werden.
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Die
DE 42 41 439 A1 offenbart
ein Verfahren zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung zwischen
metallischen Verbindern und metallischen Kontakten von Halbleiteroberflächen durch
isotherme Erstarrungsverfahren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben,
bei dem eine Vielzahl von Bondverbindungen gleichzeitig hergestellt
werden kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit den Merkmalen des Gegenstands der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es
wird eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen von mindestens
vier Bondverbindungen zwischen Kontaktflächen auf einer Oberfläche eines Halbleiterchips
und Kontaktanschlußfahnen
eines Zwischenträgers,
der eine Umverdrahtung aufweist, angegeben, wobei die Kontaktflächen und/oder
die Kontaktanschlußfahnen
mit einer niedrig schmelzenden Metall-Legierungsbeschichtung versehen sind, wobei
die Metall-Legierung
der Beschichtung in dem Material der Kontaktflächen und/oder der Kontaktanschlußfahnen
mit zunehmender Tempertemperatur zunehmend löslich ist und sich intermetallische
Phasen aus den elementaren Komponenten des Materials der Beschichtung
und des Materials der Kontaktflächen
und/oder der Kontaktanschlußfahnen
mit hohem Schmelzpunkt bilden und unter isothermischer Erstarrung
bei einer Temperatur erstarren, die über dem Schmelzpunkt der Metall-Legierung
der Beschichtung liegt, und wobei die Vorrichtung einen beheizbaren
Stempel zum Aufeinanderpressen und gleichzeitigen Erhitzen und Tempern
der Kontaktanschlußfahnen,
der Metall-Legierungsbeschichtung und der Kontaktflächen mittels
mindestens vier Blattfedern entsprechend der Anzahl von Kontaktflächen aufweist,
wobei jede Blattfeder mit einem Ende am Stempelkörper befestigt ist und eine
Dicke aufweist, die kleiner gleich der Längserstreckung einer Kontaktfläche ist
und das freie Ende eine Andruckfläche aufweist, wobei die Breite
jeder Blattfeder im Bereich des freien Endes auf die Quererstreckung
der Kontaktfläche
verjüngt
ist.
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Eine
solche spinnenartige Ausbildung des Stempels hat den Vorteil, daß Unebenheiten
der Oberfläche
des Halbleitersubstrats, die üblicherweise
im Bereich von 10 bis 200 μm
liegen, ohne weiteres ausgeglichen werden können, ohne daß gleitende
oder sich bewegende Vorsprünge
für den
Stempel vorzusehen sind. Die blattfederartigen Vorsprünge gleichen
die Oberflächenunebenheiten über ein Durchbiegen
der Blattfedern aus und bewirken ein gleichmäßiges Andrücken der zu verbindenden Komponenten
auf dem Halbleitersubstrat.
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Um
ein Diffusionslöten
des niedrigschmelzenden Materials der Beschichtungslegierung mit den
Materialien der Kontaktfläche
und/oder der Kontaktanschlußflächen mit
anschließender
isothermischer Erstarrung zu erreichen, weist der Stempelkörper vorzugsweise
eine Heizung auf. Diese Heizung kann durch eine elektrische Widerstandsheizung,
die im Stempelkörper
angeordnet ist, realisiert werden. Der Stempelkörper kann ferner vorzugsweise
durch eine Strahlungsheizung indirekt aufgeheizt werden, wobei die
Wärmestrahlen
der vom Stempelkörper ent fernt
angeordneten Wärmestrahlungsquelle
auf die Oberfläche
des Stempelkörpers
fokussiert wird. Der Stempel kann in einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung indirekt durch Mikrowellen auf einer konstanten Temperatur
für die
isothermische Erstarrung gehalten werden.
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Bei
der isothermischen Erstarrung wird die zunächst niedrigschmelzende Komponente
der Beschichtung mit den hochschmelzenden Materialkomponenten der
Kontaktflächen
und/oder der Kontaktanschlußfahnen
angereichert, bis schließlich
die Anreicherung derart hoch geworden ist, daß sich hochschmelzende intermetallische
Phasen bei der eingestellten Temperatur der isothermischen Erstarrung bilden.
Um dieses zu erreichen, weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen
einer Vielzahl von Bondverbindungen zwischen Kontaktflächen eines Halbleiterchips
und Kontaktanschlußfahnen
eines Zwischenträgers,
der eine Umverdrahtung aufweist unter Anwendung der Vorrichtung
eines der erfindungsgemäßen Ausführungsformen,
folgende Verfahrensschritte auf:
- a) Beschichten
der Kontaktflächen
und/oder der Kontaktanschlußfahnen
mit einer Metall-Legierung, die in dem Material der Kontaktflächen und/oder
der Kontaktanschlußfahnen
mit zunehmender Temperatur zunehmend löslich ist und intermetallische
Verbindungen mit dem Material der Kontaktflächen und/oder Kontaktanschlußfahnen bei
zunehmendem Schmelzpunkt bildet und unter isothermischer Erstarrung
zu einem Material erstarrt, dessen Schmelztemperatur über dem Schmelzpunkt
der Metall-Legierungsbeschichtung
liegt,
- b) Erhitzen des Stempels auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes
der Metall-Legierungsbeschichtung,
- c) Justieren des Stempels in Relation zu der Anordnung der Kontaktflächen und
der Kontaktanschlußfahnen,
- d) Absenken des Stempels auf die Kontaktanschlußfahnen
unter Abreißen
von Sollbruchstellen in der Leitungsführung der Kontaktanschlußfahnen,
und
- e) Tempern der zu bondenden Komponenten unter Druck bei isothermischer
Erstarrung der Bondverbindungen.
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Dieses
Verfahren, das sich auf die isothermische Erstarrung stützt, hat
den Vorteil gegenüber
den bisherigen Hochtemperaturverfahren mit eutektischer Erstarrung,
daß die
Temperaturfestigkeit der Verbindung oberhalb der Schmelztemperatur
der niedrigschmelzenden Metall-Legierungsbeschichtung liegt. Damit
besteht die Möglichkeit,
in vorteilhafter Weise die Temperaturfestigkeit der Bondverbindung
durch geeignete Wahl der Temperatur der isothermischen Erstarrung,
d. h. durch geeignete Wahl der Stempeltemperatur festzulegen. Ein Überschreiten
der Temperzeit schädigt
nicht die entstandene Verbindung, so daß es möglich ist, in vorteilhafter Weise
eine Vielzahl von Kontaktflächen
gleichzeitig mit den Kontaktanschlußfahnen zu verbinden, da Unterschiede
im Wärmeübergang
von den Andruckflächen
auf die zu verbindenden Komponenten durch entsprechend langes Halten
des Stempels in Andruckposition ausgeglichen werden können, ohne daß Festigkeitsunterschiede
in der Qualität
der Bondverbindung auftreten. Lediglich bei zu kurzer Andruckzeit
besteht die Gefahr, daß eine
der Bondverbindungen nicht vollständig isothermisch erstarrt und
damit beim Abheben des Stempels aufbricht. Die Zeitdauer, mit welcher
der Stempel auf die zu verbindenden Komponenten zu pressen ist,
hängt nur
von dem angebotenen Schmelzvolumen der niedrigschmelzenden Metall-Legierung
der Beschichtung ab, d. h. im wesentlichen von der Dicke der Beschichtung.
Je dünner
die Beschichtung mit niedrigschmelzender Komponente ist, um so früher wird
eine der Temperatur der isothermischen Erstarrung entsprechende
erstarrte Metall-Legierung und/oder metallische Phase und damit
eine Verbindung zwischen den zu verbindenden Komponenten erreicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Kontaktanschlußfahnen des Zwischenträgers aus
einer Kupferle gierung oder Nickellegierung mit Zinn oder Indium
als Legierungskomponente hergestellt.
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Die
Beschichtung der Kontaktflächen und/oder
der Kontaktanschlußfahnen
mit einer niedrigschmelzenden Metall-Legierung erfolgt vorzugsweise
mittels Elektroplattieren. Dazu kann der Zwischenträger mit
der Umverdrahtung und den freiliegenden Kontaktanschlußfahnen
in ein Galvanikbad getaucht werden, so daß die Kontaktanschlußfahnen
mit einer dünnen
Schicht aus der niedrigschmelzenden Metall-Legierung elektroplattiert
werden.
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Ein
anderes bevorzugtes Verfahren zum Beschichten der Kontaktflächen und/oder
der Kontaktanschlußflächen mit
der niedrigschmelzenden Metall-Legierung kann mittels stromloser
Plattierung aus einem Lösungsbad,
das die niedrigschmelzende Metall-Legierung abscheidet, erfolgen,
indem der Halbleiterchip mit den freiliegenden Kontaktflächen in
ein derartiges Lösungsbad
eingetaucht wird oder der Zwischenträger mit den freiliegenden Kontaktanschlußfahnen
diesem Lösungsbad
ausgesetzt wird.
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Ein
weiteres bevorzugtes Verfahren zur Beschichtung der Kontaktflächen und/oder
der Kontaktanschlußflächen mit
einer niedrigschmelzenden Metall-Legierung ist die Aufdampftechnik
oder eine Sputterabscheidung vorzugsweise durch eine Maske, so daß selektiv
die Kontaktflächen
und/oder die freiliegenden Kontaktanschlußfahnen beschichtet werden.
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Schließlich ist
es auch möglich,
vorzugsweise eine Beschichtung der Kontaktflächen oder der Kontaktanschlußfahnen
mittels Gasphasenabscheidung zu erreichen. Bei allen Verfahren,
die großflächig den
Halbleiterchip oder den Zwischenträger mit einer niedrigschmelzenden
Metall-Legierung überziehen,
wie das stromlose Plattieren, die Aufdampftechnik, die Sputterabscheidung
oder die Gasphasenabscheidung, sofern es nicht möglich ist, selektiv durch eine
Maske nur die Kontaktflächen
und Kontaktanschlußfahnen
zu beschichten, ist es erforderlich, einen Maskierungs- oder Selektionsschritt
beispielsweise mittels einer Photolithographietechnik vorzusehen.
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Sind
die Kontaktanschlußflächen und/oder Kontaktanschlußfahnen
von ausreichender Größe, kann
vorzugsweise die niedrigschmelzende Metall-Legierungsbeschichtung
mittels Siebdrucktechnik oder Schablonendrucktechnik in vorteilhafter
Weise selektiv aufgebracht werden.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform
einer Vorrichtung.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform
einer Vorrichtung.
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3 zeigt
eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt in Längsrichtung
durch eine Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
eine Vorderansicht mit teilweisem Querschnitt in Querrichtung durch
die Ausführungsform
der 3.
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5 bis 7 zeigen
Verfahrensstufen bei der Herstellung der Bondverbindungen.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform
der Vorrichtung. Diese Vorrichtung dient der Herstellung einer Vielzahl
von Bondverbindungen 1 zwischen Kontaktflächen 2 auf
einer Oberfläche 3 eines
Halbleiterchips 4 und Kontaktanschlußfahnen 5 eines Zwischenträgers 6,
der eine Umverdrahtung 7 aufweist. Die Kontaktflächen 2 und/oder
die Kontaktanschlußfahnen 5 sind
für diese
Vorrichtung mit einer niedrigschmelzenden Metall-Legierungsbeschichtung
versehen. Die Metall-Legierung der Beschichtung ist in dem Material
der Kontaktflächen 2 und/oder
der Kontaktanschlußfahnen 5 mit
zunehmender Temperatur zunehmend löslich und bildet intermetallische
Phasen. Die Metall-Legierung der Beschichtung erstarrt mit dem Material
der Kontaktflächen 2 und/oder
der Kontaktanschlußfahnen 5 unter
isothermischer Erstarrung zu einem Material, dessen Schmelzpunkt über dem
Schmelzpunkt der Metall-Legierungsbeschichtung liegt.
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Zur
Aufrechterhaltung der Temperatur für die isothermische Erstarrung
weist die Vorrichtung einen beheizbaren Stempel zum Aufeinanderpressen
und gleichzeitigen Erhitzen und Tempern der Kontaktanschlußfahnen 5,
der Metall-Legierungsbeschichtung und
der Kontaktflächen 2 auf,
wobei der Stempel 8 eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist,
die ihrerseits Andruckflächen
besitzen und jeweils eine einzelne Andruckfläche 10 der Größe einer
entsprechenden Kontaktfläche 2 angepaßt ist.
Die Vorsprünge 9 an dem
Stempelkörper 14 sind
in gleicher Weise positioniert wie die Anordnung der Kontaktflächen 2 auf der
Oberfläche 3 des
Halbleiterchips 4.
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Der
Stempelkörper 14 mit
den Vorsprüngen 9 kann
auf eine konstante Temperatur der isothermischen Erstarrung in Pfeilrichtung
A indirekt aufgeheizt sein und ein entsprechender An preßdruck A kann
gleichzeitig auf den Stempel wirken, um bis zur Beendigung der isothermischen
Erstarrung die Kontaktanschlußfahnen
auf die Kontaktflächen
mit zwischenliegender Metall-Legierungsbeschichtung zu drücken. Dabei
wird zunächst
die niedrigschmelzende Metall-Legierung der Beschichtung schmelzen und
hochschmelzendes Material der Kontaktflächen und/oder der Kontaktanschlußfahnen
sich in der Schmelze zunehmend lösen
und intermetallische Phasen bilden, die aus den Komponenten der niedrigschmelzenden
Metall-Legierung der Beschichtung und dem hochschmelzendem Material der
Kontaktflähen
und/oder Kontaktanschlußfahnen bestehen.
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In
der Ausführungsform
der 1 besteht der Stempel aus einem starren Stempelkörper 14 und
starren Säulen 19,
die als Stempelvorsprünge ausgebildet
sind. Eine derart starre Vorrichtung kann auf einer unebenen Substratoberfläche nur
eingesetzt werden, wenn die Zahl der starren Säulen 19 auf drei beschränkt bleibt.
Bereits bei vier Säulen würde eine
derartige Vorrichtung aufgrund von Unebenheiten des Substrats versagen.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform
wird der Stempelkörper 14 direkt
durch eine eingebaute elektrische Widerstandsheizung beheizt. Darüber hinaus wird
der Stempelkörper 14 von
einer Abdeckplatte 20 abgedeckt, die federelastische Elemente 21 an
den Positionen aufweist, an denen in Öffnungen 13 Andruckstäbe 12 gleitend
geführt
werden. Mit Hilfe der federelastischen Elemente 21 der
Abdeckplatte 20 wird dafür gesorgt, daß Unebenheiten
des Substrats 22 und damit Unebenheiten in der Ebene der
Kontaktanschlußflächen 2 ausgeglichen
werden. Da in dieser zweiten Ausführungsform der Stempelkörper 14 durch
die Heizung 15 in Pfeilrichtung A direkt beheizt wird ist
lediglich ein Anpreßdruck
auf den Stempel aufzubringen, um einen intensiven Kontakt zwischen den
zu verbindenden Komponenten über
die Andruckflächen 10 der
Stäbe 12 zu
erreichen.
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3 zeigt
eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt in Längsrichtung
durch eine Ausführungsform
der Erfindung. Das Substrat 22 trägt hier in Längsrichtung
mindestens eine Zeile von Kontaktflächen 2, die mit Kontaktanschlußfahnen 5,
wie sie in 4 gezeigt werden, zu verbinden
sind. Der Stempel 8 wird zur Gewährleistung einer isothermischen Erstarrung
entweder durch eine direkte oder eine indirekte Beheizung auf einer
konstanten Tempertemperatur gehalten und dabei in Pfeilrichtung
A mit seinen Vorsprüngen 9 auf
die zu verbindenden Komponenten gepreßt. Um Unebenheiten des Halbleiterchips 4 an
der Oberfläche 3 auszugleichen,
sind die Vorsprünge 9 in
dieser Ausführungsform
als Blattfedern 18 ausgeführt, die fest mit dem Stempelkörper 14 verbunden
sind. Die Blattfedern 18 sind leicht vorgebogen, wobei
zum Ausgleich etwaiger Querkräfte ein
Teil der Blattfedern 18 in eine Richtung vorgebogen ist
und ein anderer Teil der Blattfedern 18 in eine entgegengesetzte
Richtung vorgebogen ist.
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4 zeigt
eine Vorderansicht mit teilweisem Querschnitt in Querrichtung durch
die Ausführungsform
der 3. Beispielhaft sind hier zwei parallele Zeilen
von Kontaktflächen 2 auf
einem Halbleitersubstrat 22 gezeigt, die mit Kontaktanschlußfahnen 5 zu
verbinden sind. Da die Breite der Blattfedern 18 die Quererstreckung
der Kontaktflächen 2 überschreitet,
sind die Blattfedern 18 an ihren freien Enden 11 verjüngt, so
daß die
Andruckflächen 10 der freien
Enden der Blattfedern 18 in ihren Abmessungen den Abmessungen
der Kontaktflächen 2 entsprechen.
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Beim
Herunterfahren des spinnenartigen Stempels, wie er in den 3 und 4 gezeigt wird,
werden Sollbruchstellen 16 der Verdrahtung 7 auf
dem Zwischenträger 6 abgerissen,
so daß die
Anschlußfahnen 5 auf
die Kontaktflächen 2 gepreßt werden
können.
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Die 5 bis 7 zeigen
Verfahrensstufen bei der Herstellung der Bondverbindungen. Dazu zeigt
die 5 zunächst
den Stempel 8 in angehobener und vorjustierter Position,
so daß die
Andruckflächen 10 der
Vorsprünge 9 des
Stempels 8 über
den Kontaktanschlußfahnen 5 des
Zwischenträgers 6 und
den Kontaktflächen 2 des
Halbleitersubstrats 4 angeordnet sind.
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Beim
Absenken des Stempels 8 in Pfeilrichtung A, wie es in 6 gezeigt
wird, reißen
die Sollbruchstellen 16 der Kontaktfahnen 5 ab,
so daß diese auf
die Kontaktflächen 2 gepreßt werden
können. Zwischen
den Kontaktanschlußfahnen
und den Kontaktflächen
ist aufgrund der Beschichtung mit einer niedrigschmelzenden Metall-Legierung
der Kontaktflächen
und/oder der Kontaktanschlußfahnen
die niedrigschmelzende Legierungsbeschichtung zwischen den beiden
zu verbindenden Komponenten angeordnet. Der Stempel 8 kann
entweder direkt oder indirekt auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
des niedrigschmelzenden Materials gehalten werden, bei der die isothermische
Erstarrung und damit die Bildung einer isothermischen Verbindung,
die im wesentlichen aus intermetallischen Phasen besteht, zwischen
den Kontaktanschlußfahnen
und den darunterliegenden Kontaktanschlußflächen erfolgen soll.
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Nach
einer vorgegebenen Temperzeit, die mindestens so lange anhält, bis
der isothermische Erstarrungsvorgang abgeschlos sen ist, wird, wie
es 7 zeigt, der Stempel 8 der 6 entfernt
und eine feste Bondverbindung über
die Kontaktanschlußfahnen 5 ist
mit der Verdrahtung 7 des Zwischenträgers 6 erreicht.
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- 1
- Bondverbindungen
- 2
- Kontaktflächen
- 3
- Oberfläche
- 4
- Halbleiterchip
- 5
- Kontaktanschlußfahnen
- 6
- Zwischenträger
- 7
- Umverdrahtung
- 8
- Stempel
- 9
- Vorsprünge
- 10
- Andruckfläche
- 11
- freie
Enden
- 12
- Stab
- 13
- Öffnungen
- 14
- Stempelkörper
- 15
- Heizung
- 16
- Sollbruchstelle
- 17
- Leitungsführung
- 18
- Blattfeder
- 19
- Ende
der Blattfeder am Stempelkörper
- 20
- Abdeckplatte
- 21
- federelastisches
Element
- 22
- Substrat