DE102008050798A1 - Method for positioning and fixing e.g. semiconductor chip, on e.g. direct copper Bonding substrate, involves pressing components together such that electrical connection and mechanical fixing of components are obtained - Google Patents

Method for positioning and fixing e.g. semiconductor chip, on e.g. direct copper Bonding substrate, involves pressing components together such that electrical connection and mechanical fixing of components are obtained Download PDF

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Abstract

The method involves fitting semiconductor chip (3) to a suitable position on another component i.e. direct copper bonding substrate (1) by a placing device (5) over an electrically conducting intermediate layer (2). The placing device is activated relatively to another component such that a prefixing is obtained by the intermediate layer and one of the components. The intermediate layer is heated on a temperature that is increased opposite to room temperature. The components are pressed together such that an electrical connection and a mechanical fixing of the components are obtained. The placing device is equipped with a pressing element made of ceramic material or porous sintered metal material. An independent claim is also included for an arrangement for positioning and fixing electrical and electronic component on another component.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren und Fixieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils auf einem anderen Bauteil sowie eine dabei anwendbare Anordnung zum Positionieren und Vorfixieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils auf einem anderen Bauteil.The The invention relates to a method for positioning and fixing an electrical or electronic component on another Component and an applicable arrangement for positioning and prefixing an electrical or electronic component on another component.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Bekannte Verfahren zum Verbinden von Bauelementen untereinander oder zum Aufbringen auf Schaltungsträger sind das Drucksintern, bei dem von einem in Pulverform vorliegenden Verbindungsmaterial ausgegangen wird, und das Diffusionsschweißen, bei dem von einer kompakten Verbindungsschicht ausgegangen wird. In beiden Fällen wird mit moderatem Druck und einer erhöhten, unter dem Schmelzpunkt liegenden Temperatur gearbeitet. Auf molekularer Ebene ist der wesentliche Verbindungsmechanismus beider Verfahren die Oberflächendiffusion. Im Zuge der weiteren Beschreibung wird für alle Verfahren nach diesem Prinzip vereinfachend der Begriff „Sintern” angewendet.Known Method for connecting components to each other or to Applying to circuit carriers are the pressure sintering, in the case of a compound material in powder form is assumed, and the diffusion welding, in which is assumed by a compact connection layer. In both Cases will be moderated and increased, worked below the melting temperature. On molecular Level is the essential link mechanism of both procedures the surface diffusion. In the course of further description will for all procedures according to this principle simplifying the Term "sintering" applied.

Durch Sintern sind mechanisch und elektrisch zuverlässige und temperaturstabile, metallische Verbindungsschichten beispielsweise zwischen einem Halbleiterchip und einem Substrat und/oder zwischen einem Substrat und einer Bodenplatte herstellbar. Dazu wird vor dem Verbindungsprozess (Fügeprozess) auf einer dem einen Verbindungspartner zugewandten Seite des anderen Verbindungspartners oder umgekehrt ein Sintermaterial, beispielsweise Silberpulver durch einen Dispens-, Sput ter-, Aufdampf-, Druck- oder Sprühprozess aufgebracht. Anschließend werden die Bauteile positionsgenau aufeinander gefügt. Danach werden die Bauteile durch zwei Pressstempel aneinander gedrückt und soweit erwärmt, dass sich die Partikel des Sintermaterials durch Oberflächendiffusion verbinden. Damit wird die Schicht aus Sintermaterial in eine formfeste, in der Regel, hochschmelzende, metallische Verbindungsschicht zwischen den Verbindungspartnern umgewandelt.By Sintering is mechanically and electrically reliable and Temperature-stable, metallic bonding layers, for example between a semiconductor chip and a substrate and / or between a substrate and a bottom plate produced. This is going to happen the connection process (joining process) on one Connection partner facing side of the other connection partner or conversely a sintered material, for example silver powder a dispensing, sput ter, evaporation, pressure or spray process applied. Subsequently, the components are accurately positioned joined together. After that, the components are replaced by two Pressing stamp pressed together and heated as far as that the particles of the sintered material by surface diffusion connect. Thus, the layer of sintered material in a dimensionally stable, usually, high-melting, metallic compound layer between converted to the connection partners.

Wenn bei der Herstellung der Verbindung der Anpressdruck erhöht wird, können Temperatur und Dauer des Verbindungsvorganges verringert werden. Es ist damit prinzipiell wünschenswert, den Anpressdruck möglichst hoch einzustellen. Um allerdings Beschädigungen von empfindlichen elektronischen Bauteilen beim Aufbringen einer hohen Druckkraft zu vermeiden und um reproduzierbar eine gleichmäßige Verteilung des Anpressdruckes zu erreichen, wird in der EP 0 330 895 B1 und der DE 42 33 073 A1 vorgeschlagen, einen Druckstempel nicht direkt an diesen Bauteilen anliegen zu lassen, sondern ein Druckkissens oder ein den Konturen der Bauteile angepasstes Stempelpaket aus einem elastomeren, aber nicht flüssigen Material wie etwa Fluor-Polymer oder Silikon zwischen zu legen. Damit wird ein quasi-hydrostatischer Druck, also ein sehr gleichmäßiger Druck auf die Bauteile zur Einleitung der notwendigen Kräfte erzielt.If the contact pressure is increased during the production of the connection, the temperature and duration of the connection process can be reduced. It is thus desirable in principle to set the contact pressure as high as possible. However, in order to avoid damage to sensitive electronic components when applying a high compressive force and to reproducibly achieve a uniform distribution of the contact pressure, is in the EP 0 330 895 B1 and the DE 42 33 073 A1 proposed not to bear a plunger directly on these components, but to put a pressure pad or the contours of the components adapted stamp package of an elastomeric, but not liquid material such as fluorine polymer or silicone between. Thus, a quasi-hydrostatic pressure, ie a very uniform pressure on the components to initiate the necessary forces is achieved.

Die eingesetzten Druckkissen bzw. Stempelwerkzeuge stellen jedoch hohe Ansprüche an die Positioniergenauigkeit der Verbindungspartner zueinander dar, um höhere Standzeiten zu erreichen und Beschädigungen von Bauteilen zu vermeiden. Daher wird heute üblicherweise vor dem eigentlichen Sinterprozess ein Vorsinterprozess durchgeführt. Dadurch sind die elektronischen Bauteile am Substrat schon vor dem Einlegen in das eigentliche Sinterwerkzeug zumindest mit geringer Festigkeit vorfixiert. Diese können dann als kompakte Baugruppe so in das Sinterwerkzeug eingelegt werden, dass sie darin eine gut reproduzierbare Kontur aufweisen, welche auch nicht durch Anstoßen beim Anlegen eines Stempelwerkzeuges verändert wird.The However, used pressure pad or stamping tools provide high Claims to the positioning accuracy of the connection partners each other in order to achieve longer service life and Damage to components should be avoided. Therefore, today is becoming common performed a pre-sintering process before the actual sintering process. As a result, the electronic components on the substrate before the Inserting into the actual sintering tool at least with less Firmness prefixed. These can then be used as a compact assembly be so inserted into the sintering tool that they are a well reproducible Contour, which also not by bumping Creation of a stamping tool is changed.

Die damit mögliche, vorteilhafterweise genauere Anpassung der Stempelwerkzeuge wird allerdings durch einen zusätzlichen, zeitintensiven Prozessschritt „Vorsintern” erkauft.The thus possible, advantageously more accurate adaptation of However, stamping tools will be replaced by an additional time-intensive process step "pre-sintering".

Es ist daher wünschenswert, das bekannte Verbindungsverfahren dahingehend zu verbessern, dass trotz einer Vorfixierung die Gesamtprozesszeit nur unwesentlich vergrößert wird.It is therefore desirable, the known connection method be improved so that despite a prefix the total process time only is increased negligible.

ÜBERSICHTOVERVIEW

Es wird ein Verfahren zum Positionieren und Fixieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils auf einem anderen Bauteil vorgestellt, bei dem das eine Bauteil von einer Setzvorrichtung durch Ansaugen aufgenommen wird, wobei zwischen dem einen Bauteil und der Setzvorrichtung ein Druckelement angeordnet ist, das die Haftreibung zwischen dem einen Bauteil und der Setzvorrichtung derart erhöht, dass diese bei aufeinander aufgesetzten Bauteilen größer ist als die Haftreibung des einen Bauteils gegenüber dem anderen. Das eine Bauteil wird auf die passende Position am anderen Bauteil über mindestens eine dazwischen befindliche elektrisch leitende Zwischenschicht durch die Setzvorrichtung aufgesetzt. Die Setzvorrichtung wird relativ zum anderen Bauteil und parallel zur Montageebene zu Ultraschallschwingungen angeregt derart, dass durch die dabei entstehende Reibungswärme zwischen der Zwischenschicht und zumindest einem der Bauteile eine Vorfixierung erzielt wird. Dann wird die Zwischenschicht auf eine gegenüber Raumtemperatur erhöhte Temperatur aufgeheizt und die Bauteile werden aneinander gedrückt derart, dass eine elektrische Verbindung und mechanische Fixierung erzielt wird.The invention relates to a method for positioning and fixing an electrical or electronic component on another component, wherein the component is picked up by a setting device by suction, wherein between the one component and the setting device, a pressure element is arranged, the static friction between the a component and the setting device increases such that it is greater in successive components placed on the static friction of a component relative to the other. The one component is placed on the appropriate position on the other component via at least one interposed electrically conductive intermediate layer by the setting device. The setting device is excited relative to the other component and parallel to the mounting plane to ultrasonic vibrations such that a prefixing is achieved by the resulting frictional heat between the intermediate layer and at least one of the components. Then, the intermediate layer is heated to a temperature higher than room temperature and the components are pressed against each other such that a elektri cal connection and mechanical fixation is achieved.

Eine dabei anwendbare Anordnung zum Positionieren und Vorfixieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils auf einem anderen Bauteil mit einer Setzvorrichtung sieht vor, dass die Setzvorrichtung eine Ansaugvorrichtung zum Ansaugen des einen Bauteils aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie zum Absetzen des angesaugten einen Bauteils auf dem anderen Bauteil zumindest senkrecht zur Montageebene beweglich ist und dass sie relativ zum anderen Bauteil und parallel zur Montageebene zu Ultraschallschwingungen anregbar ist, und zwischen dem einen Bauteil und der Setzvorrichtung ein Druckelement angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, die Haftreibung zwischen dem einen Bauteil und der Setzvorrichtung derart zu erhöhen, dass diese bei aufeinander aufgesetzten Bauteilen größer ist als die Haftreibung des einen Bauteils gegenüber dem anderen.A Applicable arrangement for positioning and prefixing a electrical or electronic component on another component with a setting device provides that the setting device, a suction device for sucking the one component and formed in such a way is that they are used to settle the sucked a component on the other component is at least perpendicular to the mounting plane movable and that they are relative to the other component and parallel to the mounting plane too Ultrasonic vibrations can be excited, and between the one component and the setting device, a pressure element is arranged, the thereto is formed, the static friction between the one component and the To increase setting device such that these at each other attached components is greater than the static friction one component over the other.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.The Invention will be described below with reference to the figures in the drawing shown embodiments explained in more detail, wherein like elements are provided with like reference numerals.

1 ist eine Prinzipskizze, die in seitlicher Schnittansicht die wesentliche Vorrichtung zum Fixieren einschließlich Vorfixieren sowie deren Zusammenwirken zeigt, und 1 is a schematic diagram showing in side sectional view of the essential device for fixing including pre-fixing and their interaction, and

2 bis 4 zeigen in seitlicher Schnittansicht zusätzlich zu der Anordnung gemäß 1 beispielhafte alternative Anordnungen, die mit Hilfe des hierin vorgestellten Verfahrens herstellbar sind. 2 to 4 show in side sectional view in addition to the arrangement according to 1 exemplary alternative arrangements that can be produced by means of the method presented herein.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die in 1 beispielhaft gezeigte Anordnung zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens umfasst ein DCB-Substrat 1 (DCB = Direct Copper Bonding) mit zwei beiderseitig aufgebrachten Metallisierungen 1', auf das über jeweils eine sinterbare Zwischenschicht 2 zwei Halbleiterchips, im folgenden Chips 3 genannt, nebeneinander zu positionieren und zu fixie ren sind. Der rechte der beiden Chips 3 sei dabei bereits in der endgültigen Position am Substrat positioniert und vorfixiert, der linke der beiden Chips 3 befindet sich noch an der Setzvorrichtung 5 und ist nicht in der gewünschten Position. Die Zwischenschicht 2 besteht aus sinterfähigem metallischem Material. Im vorliegenden beispielhaften Fall wurde sie vorher aufgetragen und befindet sich bereits auf dem DCB-Substrat 1, das seinerseits beispielsweise auf einer Unterlage 11 abgelegt ist. Die Zwischenschicht 2 könnte zum Beispiel aber auch auf eine Seite des Chips 3 aufgetragen sein. Gegebenenfalls wäre sogar jeweils eine Schicht auf Substrat und Chip denkbar.In the 1 An arrangement shown by way of example for carrying out the presented method comprises a DCB substrate 1 (DCB = Direct Copper Bonding) with two mutually applied metallizations 1' , on each of which a sinterable intermediate layer 2 two semiconductor chips, in the following chips 3 called, juxtaposed and fixie ren are. The right of the two chips 3 is already positioned in the final position on the substrate and prefixed, the left of the two chips 3 is still at the setting device 5 and is not in the desired position. The intermediate layer 2 consists of sinterable metallic material. In the present exemplary case, it has been previously applied and is already on the DCB substrate 1 , which in turn, for example, on a pad 11 is stored. The intermediate layer 2 For example, it could also be on one side of the chip 3 be applied. Optionally, even one layer on substrate and chip would be conceivable.

Eine in 1 gezeigte Setzvorrichtung 5 ist ein starrer Körper, welcher durch eine – nicht dargestellte – Vorrichtung gesteuert und zu Schwingungen 7 im Ultraschallbereich angeregt wird. Die Setzvorrichtung 5 ist mit einer durchgehenden Bohrung 6 versehen, an welche von einer Seite her ein Unterdruck anlegbar ist. An der anderen Seite mündet die Bohrung 6 in eine durch ein Plättchen aus beispielsweise offenporigem oder porösem, jedenfalls luftdurchlässigem Material gebildete, auf der Setzvorrichtung 5 haftenden Schicht 4, die ein Druckelement bildet. Wird durch die Bohrung 6 Unterdruck an diese Schicht 4 gelegt, so kann an ihrer frei zugänglichen Außenfläche – wie dargestellt – ein Chip 3 oder ein anderes Bauteil angesaugt und für die Durchführung weiterer Prozessschritte gehalten werden.An in 1 shown setting device 5 is a rigid body, which is controlled by a - not shown - device and vibrations 7 is excited in the ultrasonic range. The setting device 5 is with a through hole 6 provided to which from one side a negative pressure can be applied. On the other side opens the hole 6 in a formed by a small plate of, for example, porous or porous, in any case air-permeable material on the jig 5 adhesive layer 4 which forms a pressure element. Will through the hole 6 Negative pressure to this layer 4 placed on its freely accessible outer surface - as shown - a chip 3 or another component can be sucked in and held for carrying out further process steps.

Durch eine hauptsächlich senkrechte Bewegung der Setzvorrichtung 5 relativ zur Montageebene (Schritt a in 1) wird der Chip 3 an die gewünschte Position auf der sinterbaren Zwischenschicht 2 am Substrat 1 bewegt und an diese geringfügig, also mit einer Druckkraft von wenigen Newton, angedrückt. Als Montageebene wird dabei die ebene Fläche verstanden, an der die Bauteile 1 und 3 einschließlich Zwischenschicht aneinandergrenzen. Danach (oder gegebenenfalls bereits vor oder beim Aufsetzen) wird die Setzvorrichtung 5 zu Ultraschallschwingungen 7 angeregt. Über die mitbewegte Schicht 4 wird auch der Chip 3 zu Ultraschallschwingungen angeregt (Schritt b). An der sinterbaren Zwischenschicht 2 kommt es dadurch zu schnellen zyklischen Relativbewegungen zwischen vorerst nicht miteinander verbundenen, aber aneinander anliegenden Körpern bzw. Partikeln und damit zu einem zumindest geringfügigen Verschweißen aufgrund der entstehenden Reibungswärme. Es wird somit eine Vorfixierung des Chips 3 über die Zwischenschicht 2 am Substrat 1 erreicht.By a mainly vertical movement of the setting device 5 relative to the mounting plane (step a in 1 ) becomes the chip 3 to the desired position on the sinterable intermediate layer 2 on the substrate 1 moved and to this slightly, so pressed with a compressive force of a few Newton. The mounting plane is understood to mean the flat surface on which the components 1 and 3 including interlayer adjoin. Thereafter (or possibly already before or when putting on) the setting device 5 to ultrasonic vibrations 7 stimulated. About the moving layer 4 will also be the chip 3 excited to ultrasonic vibrations (step b). At the sinterable intermediate layer 2 This leads to rapid cyclic relative movements between initially not connected to each other, but adjacent bodies or particles and thus to an at least slight welding due to the resulting frictional heat. It thus becomes a prefixing of the chip 3 over the intermediate layer 2 on the substrate 1 reached.

Damit die Ultraschallschwingung in ausreichend hohem Maße an den Chip 3 übertragen werden kann und diese Übertragung ohne Beschädigung des Chips 3 erfolgen kann, ist die zwischen Setzvorrichtung 5 und Chip 3 angeordnete luftdurchlässige, beispielsweise offenporige Schicht 4 aus einem Material gebildet, welches gut abriebfest ist und aus Gründen der Übertragungsfähigkeit für Ultraschall hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul aufweist. Beispielsweise kommen als Materialen neben von Elastomeren auch abriebfeste Keramiken sowie Stahllegierungen in Frage. Damit die Schicht 4 gut offenporig ist kann sie durch Sintern eines relativ groben Pulvers hergestellt sein. Die Haftreibung zwischen dem Chip 3 und der Setzvorrichtung 5 ist dabei insbesondere unter Berücksichtigung der erzeugten Ansaugkraft derart erhöht, dass diese größer ist als die Haftreibung des Chips 3 gegenüber dem Substrat 1 einschließlich der Zwischenschicht 2.So that the ultrasonic vibration in a sufficiently high degree to the chip 3 can be transferred and this transfer without damaging the chip 3 can be done, is the between setting device 5 and chip 3 arranged air-permeable, for example, open-pored layer 4 formed from a material which is highly resistant to abrasion and has high strength and a high modulus of elasticity for reasons of transferability for ultrasound. For example, come as materials in addition to elastomers and abrasion resistant ceramics and steel alloys in question. So that the layer 4 is open porous, it can be made by sintering a relatively coarse powder. The stiction between the chip 3 and the setting device 5 is increased in particular taking into account the generated suction force such that this greater than the static friction of the chip 3 opposite the substrate 1 including the intermediate layer 2 ,

Die dem Chip 3 zugewandte Oberfläche der Schicht 4 ist dazu beispielsweise eben und als Reibstirnfläche ausgebildet. Dazu weist sie eine definierte, hohe Oberflächenrauhigkeit auf, welche beispielsweise durch Ätzen hergestellt sein kann. Durch die Ausführung als ebene Reibstirnfläche kann von der Schicht 4 die Ultraschallschwingung 7 auf den Chip 3 durch Haftreibung über eine große Übertragungsfläche und somit ohne gefährlich hohe Kraftspitzen an einzelnen Kanten übertragen werden. Nach (oder mit) dem Abschalten der Ultraschallansteuerung wird die Setzvorrichtung 5 wieder abgehoben (Schritt c) und die so erhaltene Baugruppe wird parallel zur Montageebene an eine Sinterpresse mit beheizten Pressbacken 12 weitertransportiert (Schritt d), dort zusammengepresst (Schritt e) und mittels entsprechend erzeugter Wärme und erzeugtem Druck zur endgültigen Fixierung gesintert (Schritt f).The the chip 3 facing surface of the layer 4 For this purpose, for example, flat and designed as Reibstirnfläche. For this purpose, it has a defined, high surface roughness, which can be produced for example by etching. Due to the design as a flat friction face can from the layer 4 the ultrasonic vibration 7 on the chip 3 be transferred by friction over a large transfer surface and thus without dangerous high force peaks at individual edges. After (or with) the shutdown of the ultrasonic control is the setting device 5 lifted again (step c) and the assembly thus obtained is parallel to the mounting plane of a sintering press with heated dies 12 transported further (step d), there pressed together (step e) and sintered by means of correspondingly generated heat and pressure generated for final fixation (step f).

Mit dem beschriebenen Verfahren können jedoch nicht nur Chips 3 an einem Substrat 1 vorfixiert werden, sondern auch andere Teile aneinander.However, not only chips can be used with the described method 3 on a substrate 1 be prefixed, but also other parts together.

Gemäß 2 ist an den, dem Substrat 1 abgewandten Seiten der beiden Chips 3 über zusätzliche Zwischenschichten 2' jeweils eine durch ein metallisches Plättchen gebildete metallische Kontaktfläche 8 mit einer Dicke im Bereich von 50 μm bis 1 mm aufgebracht. Zum Vorfixieren der Kontaktaktflächen 8 werden diese einfach in einem weiteren Arbeitsgang durch die Setzvorrichtung 5 wie die zuvor fixierten Chips 3 behandelt.According to 2 is at the, the substrate 1 opposite sides of the two chips 3 over additional intermediate layers 2 ' in each case a metallic contact surface formed by a metallic plate 8th applied with a thickness in the range of 50 microns to 1 mm. For prefixing the contact surfaces 8th These are simply in a further operation by the setting device 5 like the previously fixed chips 3 treated.

Gemäß 3 ist die Anordnung von 2 mit der nicht durch elektronische Bauteile belegten Seite des DCB-Substrates über eine weitere sinterbare Zwischenschicht 2'' an einer Grundplatte 9 fixiert. Die Grundplatte 9 kann typischerweise aus Kupfer oder einem Metallmatrixverbundwerkstoff bestehen. Idealerweise erfolgt das Fixieren des Substrates 1 auf der Grundplatte 9 vor dem Fixieren der Bauteile in der beschriebenen Weise auf dem Substrat. Auch das Vorfixieren des Substrates auf der Grundplatte 9 kann mit Hilfe der Setzvorrichtung 5 in der bereits beschriebenen Weise erfolgen.According to 3 is the arrangement of 2 with the not occupied by electronic components side of the DCB substrate via a further sinterable intermediate layer 2 '' on a base plate 9 fixed. The base plate 9 may typically be copper or a metal matrix composite. Ideally, the fixing of the substrate takes place 1 on the base plate 9 prior to fixing the components in the manner described on the substrate. Also, the prefixing of the substrate on the base plate 9 can with the help of the setting device 5 done in the manner already described.

Die Anordnung gemäß 4 unterscheidet sich von jener gemäß 3 nur dadurch, dass eine Grundplatte 10 an der dem Substrat abgewandten Seite konvex gewölbt ist. Eine derartige Wölbung bringt erhebliche Vorteile bei der Wärmeabfuhr an einen auf der Grundplatte zu montierenden Kühlkörper. Idealerweise wird die Grundplatte 10 an dem beim Sinterprozess eingesetzten, entsprechend konkav geformten Stempel gewölbt. Dieses Wölben kann durch einen Arbeitsvorgang des Stempels für die Grundplatte allein erfolgen, oder während des Sinterns in dem für die gesamte Anordnung gemäß 4 gemeinsam statt findenden Sinterprozess.The arrangement according to 4 differs from that according to 3 only by having a base plate 10 is convexly curved on the side facing away from the substrate. Such a curvature brings considerable advantages in the heat dissipation to a heat sink to be mounted on the base plate. Ideally, the base plate 10 on the used in the sintering process, corresponding concave shaped punch arched. This buckling can be done by a work operation of the die for the base plate alone, or during sintering in that for the entire assembly according to 4 common sintering process.

Es ist vorteilhaft, wenn bei allen gezeigten Anordnungen die sinterbaren Zwischenschichten 2, 2', 2'' an keiner Stelle zwischen den Bauteilen, die über sie miteinander verbunden sind, hervorragen. Derartig hervorragende Bereiche würden weder durch die Ultraschallvorfixierung noch durch den anschließenden Sintervorgang zu einer kompakten, gut haftenden Schicht umgewandelt werden und wären eine gefährliche Verunreinigung.It is advantageous if, in all arrangements shown, the sinterable intermediate layers 2 . 2 ' . 2 '' at no point between the components that are connected to each other, protrude. Such excellent areas would neither be converted into a compact, well-adhering layer by the ultrasonic pre-fixation nor by the subsequent sintering process and would be a dangerous contaminant.

Das beschriebene Verfahren ist besonders für die Herstellung von Leistungshalbleitermodulen von Bedeutung, da dabei großflächige metallische, relativ hochschmelzende Verbindungsschichten besonders vorteilhaft sind. Es wird dabei insbesondere das Problem der stabilen Positionierung von Halbleiterbauelementen relativ zu ihren Verbindungspartnern für den nachfolgenden Sinterprozess durch Zusammenfassen der aufeinanderfolgenden Arbeitsgänge Positionieren und Vorfixieren der Halbleiterbauelemente gelöst. Dazu kann beispielsweise auf einfache Weise die mit Ultraschall anregbare Setzvorrichtung eines handelsüblichen Die-Bonders für Halbleiterbauelemente mit einem die Haftreibung in Bezug zum zu verarbeitenden Halbleiterbauelement erhöhendem Druckelement ausgestattet werden. Regt man nun zum Zeitpunkt des Aufsetzens der Halbleiterbauelemente auf ihre Verbindungspartner wie etwa Substraten, die mit an sich bekannten Verfahren bereits mit dem für den nachfolgenden Sinterprozess erforderlichen Verbindungsmaterial an den entsprechenden Positionen beschichtet sind, die Setzvorrichtung mit einer auf das zu verarbeitende Halbleiterbauelement abgestimmten Ultraschallenergie an, so kann über die bei der Ultraschallschwingung entstehende Reibungswärme zwischen dem Verbindungsmaterial und dem Halbleiterbauelement der Sinterprozess begonnen werden. Diesen Sinterprozess führt man bei sehr schwachen Prozessdrücken aus und hat damit den sonst üblichen, gesonderten Vorsinterschritt in den Positioniervorgang eines Halbleiterbauelementes miteingebunden.The described method is especially for the production of power semiconductor modules of importance, as doing large-scale metallic, relatively high-melting compound layers particularly are advantageous. It is especially the problem of stable Positioning of semiconductor devices relative to their connection partners for the subsequent sintering process by combining of consecutive operations Positioning and Pre-fixing the semiconductor devices solved. This can for example, in a simple way the excitable with ultrasound Setting device of a commercial die-bonder for semiconductor devices with a static friction in relation to the semiconductor device to be processed Be equipped pressure element. Regretted now at the time of Placing the semiconductor devices on their connection partners as for example, substrates already known with methods known per se required for the subsequent sintering process Joining compound coated at the appropriate positions are, the setting device with a semiconductor device to be processed on the tuned ultrasound energy, so on the at the heat generated by the ultrasonic vibration between the bonding material and the semiconductor device, the sintering process to be started. This sintering process leads you a lot weak process pressures and thus has the usual, separate pre-sintering step in the positioning process of a semiconductor device miteingebunden.

Wie oben bereits dargelegt, kann die Setzvorrichtung eines handelsüblichen Die-Bonders mit einem luftdurchlässigem, beispielsweise porösen Druckelement (z. B. aus gesintertem Metallwerkstoff oder einem Keramikwerkstoff) ausgestattet werden. Wird nun über den in einem Die-Bonder meistens vorhandenen Vakuumanschluss ein entsprechendes Vakuum angelegt, so kann durch die Bohrung in der Setzvorrichtung sowie durch das luftdurchlässige Druckelement ein Halbleiterbauelement angesaugt und an der Setzvorrichtung fixiert werden. Über einen Ultraschallgenerator sowie einen entsprechenden Konverter wird die Setzvorrichtung mit dem anhaftenden Halbleiterbauelement unmittelbar nach dem Aufsetzen auf den zuvor präparierten Verbindungspartner mit zuvor aufgetragenem Verbindungsmaterial in Schwingung versetzt und so zur Sonotrode einer Ultraschallschweisseinheit. Durch die über die Setzvorrichtung eingeleitete Schwingung entsteht zwischen den Verbindungsflächen des Halbleiterbauelementes und seinem Verbindungspartner Reibungswärme, die zum Start des Sinterprozesses an der Oberfläche des auf den Verbindungspartner aufgetragenen Verbindungsmaterial ausgenutzt werden kann. Durch einen leichten Andruck während dieses Prozesses sowie einem rechtzeitigem Abbruch dieses Prozess durch das Abschalten der zugeführten Ultraschallenergie kann so das Halbleiterbauelement auf seinem Verbindungspartner vorfixiert werden. Auf diese Weise vorfixierte Halbleiterbauelemente können dann mit ihrem Verbindungspartner als zusammenhängende Baugruppe dem Folgeprozess zugeführt werden.As already explained above, the setting device of a commercially available die-bonder can be equipped with an air-permeable, for example, porous pressure element (for example made of sintered metal material or a ceramic material). If a corresponding vacuum is then applied via the vacuum connection which is usually present in a die bonder, a semiconductor component can be sucked through the bore in the setting device and through the air-permeable pressure element and fixed to the setting device. About an ultrasonic generator and a corresponding converter, the setting device with the adhering semiconductor device immediately after the up put on the previously prepared connection partner with previously applied compound material vibrated and so to the sonotrode of an ultrasonic welding unit. The vibration introduced via the setting device produces frictional heat between the connection surfaces of the semiconductor component and its connection partner, which can be utilized to start the sintering process on the surface of the connection material applied to the connection partner. By a slight pressure during this process and a timely termination of this process by switching off the supplied ultrasound energy so the semiconductor device can be prefixed on its connection partner. In this way prefixed semiconductor devices can then be supplied with their connection partner as a contiguous assembly the follow-up process.

Möglich ist es auch, auf diese Weise mehrere Bauteile auf einander zu stapeln und im anschließenden Sinterprozess mit einander zu verbinden. Beispielsweise Substrate, Halbleiterbauelemente und zusätzliche metallische Kontakte für die Halbleiterbauelemente (siehe 2). Dabei könnten die zu sätzlichen metallischen Kontakte auch bereits im Waververbund auf die Halbleiterbauelemente aufgebracht worden sein.It is also possible to stack in this way several components on each other and to connect in the subsequent sintering process with each other. For example, substrates, semiconductor devices and additional metallic contacts for the semiconductor devices (see 2 ). In this case, the additional metallic contacts could also already have been applied to the semiconductor components in the wafer composite.

Wie bereits oben erwähnt, kann das vorgestellte Verfahren insbesondere bei der Nieder-Temperatur-Verbindungstechnik verwendet werden, bei der es darauf ankommt, einen gleichmäßigen statischen Druck auf ein Objekt unter Einfluss einer hohen Temperatur einleiten zu können. Durch die Vorfixierung der Halbleiterbauelemente auf dem Verbindungspartner wird verhindert, dass die Halbleiterbauelemente während des Schließens der notwendigen Werkzeuge verrutschen. Denn durch das Verrutschen der Bauteile zueinander kommt es immer wieder zu einer nicht positionsgenauen Verbindung der Verbindungspartner oder zu einer Beschädigung der Halbleiterbauelemente im Sinterprozess.As already mentioned above, the presented method can in particular used in the low-temperature connection technology, in the It matters a steady static Pressure on an object under the influence of a high temperature initiate to be able to. By prefixing the semiconductor components on the connection partner prevents the semiconductor devices while closing the necessary tools slip. Because by the slipping of the components to each other it always comes back to a non-positional connection the connection partner or damage to the semiconductor devices in the sintering process.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0330895 B1 [0004] - EP 0330895 B1 [0004]
  • - DE 4233073 A1 [0004] - DE 4233073 A1 [0004]

Claims (28)

Verfahren zum Positionieren und Fixieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils (3) auf einem anderen Bauteil (1), bei dem das eine Bauteil (3) von einer Setzvorrichtung (5) durch Ansaugen aufgenommen wird, wobei zwischen dem einen Bauteil (3) und der Setzvorrichtung (5) ein Druckelement (4) angeordnet ist, das die Haftreibung zwischen dem einen Bauteil (3) und der Setzvorrichtung (5) derart erhöht, dass diese bei aufeinander aufgesetzten Bauteilen (1, 3) größer ist als die Haftreibung des einen Bauteils (3) gegenüber dem anderen (1), das eine Bauteil (3) auf die passende Position auf dem anderen Bauteil (1) über mindestens eine dazwischen befindliche elektrisch leitende Zwischenschicht (2) durch die Setzvorrichtung (5) aufgesetzt wird und die Setzvorrichtung (5) relativ zum anderen Bauteil (1) und parallel zur Montageebene zu Ultraschallschwingungen angeregt wird derart, dass durch die dabei entstehende Reibungswärme zwischen der Zwischenschicht (2) und zumindest einem der Bauteile (1, 3) eine Vorfixierung erzielt wird, und dann die Zwischenschicht (2) auf eine gegenüber Raumtemperatur erhöhte Temperatur aufgeheizt wird und die Bauteile (1, 3) aneinander gedrückt werden derart, dass eine elektrische Verbindung und mechanische Fixierung erzielt wird.Method for positioning and fixing an electrical or electronic component ( 3 ) on another component ( 1 ), in which the one component ( 3 ) of a setting device ( 5 ) is absorbed by suction, wherein between the one component ( 3 ) and the setting device ( 5 ) a printing element ( 4 ) is arranged, the static friction between the one component ( 3 ) and the setting device ( 5 ) are increased in such a way that these are mounted on successively mounted components ( 1 . 3 ) is greater than the static friction of the one component ( 3 ) over the other ( 1 ), which is a component ( 3 ) to the appropriate position on the other component ( 1 ) via at least one interposed electrically conductive intermediate layer ( 2 ) by the setting device ( 5 ) and the setting device ( 5 ) relative to the other component ( 1 ) and is excited parallel to the mounting plane to ultrasonic vibrations such that by the resulting frictional heat between the intermediate layer ( 2 ) and at least one of the components ( 1 . 3 ) a prefixing is achieved, and then the intermediate layer ( 2 ) is heated to a temperature higher than room temperature and the components ( 1 . 3 ) are pressed against each other such that an electrical connection and mechanical fixation is achieved. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Aneinanderdrücken der beiden Bauteile (1, 3) durch zwei Stempeln (12) einer Pressform erfolgt.Method according to Claim 1, in which the pressing together of the two components ( 1 . 3 ) by two stamps ( 12 ) of a mold. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Stempel (12) beheizt werden.Method according to Claim 1 or 2, in which the punches ( 12 ) are heated. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem bei dem das Druckelement (4) an die Konturen des einen Bauteils (3) angepasst ist/wird ohne einen direkten Kontakt des Setzvorrichtung (5) mit dem einen Bauteil (3) zu erlauben.Method according to one of the preceding claims, in which the pressure element ( 4 ) to the contours of the one component ( 3 ) is / is adjusted without a direct contact of the setting device ( 5 ) with the one component ( 3 ) to allow. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Druckelement (3) luftdurchlässig ausgebildet ist oder zumindest teilweise aus luftdurchlässigem Material besteht.Method according to Claim 4, in which the pressure element ( 3 ) is permeable to air or at least partially consists of air-permeable material. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Druckelement (4) offenporiges elastomeres Material aufweist.Method according to one of the preceding claims, in which the pressure element ( 4 ) has open-pore elastomeric material. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Raum zwischen Setzvorrichtung (5) und dem einen Bauteil (3) zur Gänze mit dem elastomeren Material das Druckelement (4) bildend ausgefüllt ist.Method according to Claim 6, in which the space between the setting device ( 5 ) and the one component ( 3 ) completely with the elastomeric material, the pressure element ( 4 ) is completed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Druckelement (3) porösen Keramikwerkstoff aufweist.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the pressure element ( 3 ) has porous ceramic material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Druckelement (3) porösen gesinterten Metallwerkstoff aufweist.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the pressure element ( 3 ) has porous sintered metal material. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Setzvorrichtung (5) mit einer unter Unterdruck setzbaren Bohrung (6) versehen ist, welche in das Druckelement (4) mündet, wobei das eine Bauteil (3) an dem Druckelement (4) durch Unterdruck angesaugt und so gehalten wird.Method according to one of the preceding claims, in which the setting device ( 5 ) with a negative pressure settable bore ( 6 ), which in the pressure element ( 4 ), wherein the one component ( 3 ) on the pressure element ( 4 ) is sucked by vacuum and held so. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, bei dem die Zwischenschicht (2) nur auf dem einen Bauteil (3) oder nur auf dem anderen Bauteil (1) aufgebracht ist.Method according to one of the preceding claims, in which the intermediate layer ( 2 ) only on the one component ( 3 ) or only on the other component ( 1 ) is applied. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, bei dem während des Vorfixierens mit Ultraschall Druck angewendet wird.Method according to one of the preceding claims, during the pre-fixing with ultrasound pressure is applied. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der während des Vorfixierens angewandte Druck kleiner ist als der beim Fixieren angewandte Druck.The method of claim 12, wherein the during the pre-fixing applied pressure is smaller than that during fixation applied pressure. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, bei dem das eine Bauteil (3) ein Halbleiterchip (3) und das andere Bauteil ein Substrat (1) ist.Method according to one of the preceding claims, in which the one component ( 3 ) a semiconductor chip ( 3 ) and the other component is a substrate ( 1 ). Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, bei dem das eine Bauteil (3) ein metallisches Plättchen zur Bildung einer Kontaktfläche (8) und das andere Bauteil ein Chip (3) ist.Method according to one of the preceding claims, in which the one component ( 3 ) a metallic platelet to form a contact surface ( 8th ) and the other component a chip ( 3 ). Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, bei dem das eine Bauteil (3) ein Substrat (1) und das andere Bauteil eine Grundplatte (9, 10) ist.Method according to one of the preceding claims, in which the one component ( 3 ) a substrate ( 1 ) and the other component a base plate ( 9 . 10 ). Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, bei dem zur Bildung einer aus mehr als zwei miteinander verbundenen Bauteilen bestehenden Baugruppe die Vorgangsfolge des Positionierens mehrfach hintereinander für jeweils ein hinzuzufügendes Bauteil durchgeführt wird und die gesamte so gebildete Baugruppe in einem gemeinsamen Schritt Druck ausgesetzt und erhitzt wird.Method according to one of the preceding claims, in which to form one of more than two interconnected Components assembly existing sequence of operations of positioning several times in succession for each component to be added is carried out and the entire assembly thus formed in a common step pressure is applied and heated. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Baugruppe ein Leistungshalbleitermodul ist.The method of claim 17, wherein the assembly is a power semiconductor module. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, bei dem die Zwischenschicht (2) eine bestimmte Schmelztemperatur aufweist und die Zwischenschicht (2) auf eine gegenüber Raumtemperatur erhöhte, aber unter der Schmelztemperatur der Zwischenschicht (2) liegende Temperatur aufgeheizt wird und die Bauteile (1, 3) aneinander gedrückt werden derart, dass in oder an der Zwischenschicht (2) durch Oberflächendiffusion die elektrische Verbindung und mechanische Fixierung erzielt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the intermediate layer ( 2 ) has a certain melting temperature and the intermediate layer ( 2 ) increased to a room temperature, but below the melting temperature of the intermediate layer ( 2 ) is heated and the components ( 1 . 3 ) are pressed against each other such that in or at the intermediate layer ( 2 ) by surface diffusion, the electrical connection and mechanical fixation is achieved. Anordnung zum Positionieren und Vorfixieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils (3) auf einem anderen Bauteil (1) mit einer Setzvorrichtung (5), wobei die Setzvorrichtung (5) eine Ansaugvorrichtung (6) zum Ansaugen des einen Bauteils (3) aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie zum Absetzen des angesaugten einen Bauteils (3) auf dem anderen Bauteil (1) zumindest senkrecht zur Montageebene beweglich ist und dass sie relativ zum anderen Bauteil (1) und parallel zur Montageebene zu Ultraschallschwingungen anregbar ist, und zwischen dem einen Bauteil (3) und der Setzvorrichtung (5) ein Druckelement (4) angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, die Haftreibung zwischen dem einen Bauteil (3) und der Setzvorrichtung (5) derart zu erhöhen, dass diese bei auf einander aufgesetzten Bauteilen (1, 3) größer ist als die Haftreibung des einen Bauteils (3) gegenüber dem anderen (1).Arrangement for positioning and prefixing an electrical or electronic component ( 3 ) on another component ( 1 ) with a setting device ( 5 ), wherein the setting device ( 5 ) an intake device ( 6 ) for sucking the one component ( 3 ) and is designed such that it for settling the sucked a component ( 3 ) on the other component ( 1 ) is at least perpendicular to the mounting plane movable and that relative to the other component ( 1 ) and parallel to the mounting plane to ultrasonic vibrations can be excited, and between the one component ( 3 ) and the setting device ( 5 ) a printing element ( 4 ) is arranged, which is adapted to the static friction between the one component ( 3 ) and the setting device ( 5 ) in such a way that, when the components are placed on one another ( 1 . 3 ) is greater than the static friction of the one component ( 3 ) over the other ( 1 ). Anordnung nach Anspruch 20, bei der das Druckelement (4) an die Konturen des einen Bauteils (3) anpassbar oder angepasst ist.Arrangement according to Claim 20, in which the pressure element ( 4 ) to the contours of the one component ( 3 ) is customizable or customized. Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, bei der das Druckelement (4) so ausgebildet ist, dass ein direkter Kontakt des Setzvorrichtung (5) mit dem einen Bauteil (3) vermieden wird.Arrangement according to Claim 20 or 21, in which the pressure element ( 4 ) is designed so that a direct contact of the setting device ( 5 ) with the one component ( 3 ) is avoided. Anordnung nach Anspruch 22, bei der das Druckelement (3) luftdurchlässig ausgeformt ist oder zumindest teilweise aus luftdurchlässigem Material besteht.Arrangement according to Claim 22, in which the pressure element ( 3 ) is permeable to air or at least partially made of air-permeable material. Anordnung nach Anspruch 23, bei der das Druckelement (4) offenporiges elastomeres Material aufweist.Arrangement according to Claim 23, in which the pressure element ( 4 ) has open-pore elastomeric material. Anordnung nach Anspruch 24, bei der der Raum zwischen Setzvorrichtung (5) und dem einen Bauteil (3) zur Gänze mit dem elastomeren Material das Druckelement (4) bildend ausgefüllt ist.Arrangement according to Claim 24, in which the space between the setting device ( 5 ) and the one component ( 3 ) completely with the elastomeric material, the pressure element ( 4 ) is completed. Anordnung nach Anspruch 23, bei der das Druckelement (3) porösen Keramikwerkstoff aufweist.Arrangement according to Claim 23, in which the pressure element ( 3 ) has porous ceramic material. Anordnung nach Anspruch 23, bei der das Druckelement (3) porösen gesinterten Metallwerkstoff aufweist.Arrangement according to Claim 23, in which the pressure element ( 3 ) has porous sintered metal material. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, bei der die Setzvorrichtung (5) mit einer unter Unterdruck setzbaren Bohrung (6) versehen ist, welche in das Druckelement (4) mündet, wobei das eine Bauteil (3) an dem Druckelement (4) durch Unterdruck angesaugt und so gehalten wird.Arrangement according to one of Claims 20 to 27, in which the setting device ( 5 ) with a negative pressure settable bore ( 6 ), which in the pressure element ( 4 ), wherein the one component ( 3 ) on the pressure element ( 4 ) is sucked by vacuum and held so.
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