DE102013213135B3

DE102013213135B3 - Verfahren zum Weichlöten von Halbleiterchips auf Substrate und Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls

Info

Publication number: DE102013213135B3
Application number: DE201310213135
Authority: DE
Inventors: Felix Schmitt; Achim Cordes; Ulrich Wilke; Christof Klos
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2033-07-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens einem Halbleiter-Chip und einem Substrat mittels Weichlöten beschrieben. Gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Substrats mit einer Metallisierung und das Bereitstellen von mindestens einem Preform aus festem Lotmaterial. Das Preform wird auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Metallisierung des Substrats positioniert und lokal an der Metallisierung des Substrat durch Laserschweißen befestigt. Mindestens ein Halbleiter-Chip wird auf dem korrespondierenden Preform positioniert, und im Anschluss erfolgt die Herstellung der Lötverbindung zwischen Halbleiter-Chip(s) und der Metallisierung des Substrats durch Aufschmelzen des (der) Preform(s). Die Befestigung des Preforms durch Laserschweißen kann alternativ durch von einer Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskräfte erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Leistungshalbleitermodulen, insbesondere das Weichlöten von Leistungshalbleiter-Chips auf ein Leistungshalbleiter-Substrat.
Beim Verbinden von leistungselektronischen Bauelementen mit einem Träger (z. B. Leistungselektronik-Substrat oder Leiterplatte) durch Weichlöten muss vor dem oder während dem Lötprozess Lotmaterial auf den Träger oder das Bauelement aufgebracht werden. Die Art der Aufbringung hängt hierbei von Faktoren wie der der Zugänglichkeit der Lötstelle und der Bauteilgeometrie ab. Auch die unterschiedliche Wirtschaftlichkeit verschiedener Verfahren können ein Kriterium für die Wahl der Aufbringung des Lotmaterials sein. Bekannte Löt-Verfahren verwenden beispielsweise eine druckbare Lötpaste, welche an der Lötposition auf den Träger aufgedruckt wird. Hierbei können direkt druckende Systeme zum Einsatz kommen als auch Systeme, bei denen die Kontur über eine Schablone bzw. ein Sieb vorgegeben wird. Nach dem Drucken der Lötpaste auf den Träger und vor dem eigentlichen Lötprozess wird der Träger mit den zu lötenden Bauelementen (z. B. Silizium-Chips) bestückt, wobei durch die adhäsive Wirkung der Lötpaste die Bauelemente an ihrer Soll-Position gehalten werden.
Die Verwendung druckbarer Lötpasten ermöglicht eine hohe Produktivität, jedoch hat die Verwendung von Lot in pastöser Form anstatt eines festen Lots auch Nachteile. Bei bestimmten Anwendungen ist die Verwendung eines pastösen Lots nicht möglich. Alternativ kann das Lot in fester Form und in vorgefertigter Größe an die Lötposition gebracht werden. Zum Einsatz kommen häufig Verfahren, bei denen ein Lotformteil, ein sogenanntes „Preform” verwendet wird. Ein Preform besteht aus Lotmaterial und kann z. B. in Form einer Scheibe oder als Folie vorliegen. Zur Positionierung der Preforms auf dem Träger können z. B. Lötrahmen verwendet werden, durch deren Geometrie die Position des Preforms und der zu lötenden Bauelemente auf dem Träger definiert werden. Die Geometrie wird also durch den Lötrahmen bestimmt, und diese müssen bei der Fertigung unterschiedlicher Baugruppen entsprechend vorgehalten werden.
Die JP2924459B2 beschreibt ein Lötverfahren mit einer Lotfolie, die aus einem auf einer Rolle bereitgestellten Lotband ausgestanzt wird und die mittels eines Greifers auf einem die-pad eines Leiterrahmens positioniert und dort mit einem Laser lokal befestigt wird. Nachfolgend wird diese mit einem Halbleiterchip bestückt.
Die US2002/0039373A1 beschreibt optische Module mit einer Bodenplatte aus Cu-W und zwei Trägern, die eine Photodiode und einen Laser tragen. Eine Lotfolie wird mit Laser-Schweiß-Punkten an der Bodenplatte befestigt, bevor die zwei Träger mit Photodiode und Laser auf der Lotfolie positioniert und durch ein Aufschmelzen der Lotfolie befestigt werden.
Die US5965197A beschreibt Lot-Preforms.
Die WO02/024391A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung und Nutzung von Polymer-Lotkugeln.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin ein Lötverfahren zur Verfügung zu stellen, welches für die Verwendung fester Preforms geeignet ist, jedoch keine Lötrahmen benötigt. Diese Aufgabe wird durch die Lötverfahren gemäß Anspruch 1 und 4 sowie die Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiter-Moduls gemaß Anspruch 9 und 10 gelöst. Unterschiedliche Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens einem Halbleiter-Chip und einem Substrat mittels Weichlöten beschrieben. Gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Substrats mit einer Metallisierung und das Bereitstellen von mindestens einem Preform aus festem Lotmaterial. Das mindestens eine Preform wird auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Metallisierung des Substrats positioniert und lokal an der Metallisierung des Substrat durch Laserschweißen befestigt. Mindestens ein Halbleiter-Chip wird auf dem korrespondierenden Preform positioniert, und im Anschluss erfolgt die Herstellung der Lötverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleiter-Chip und der Metallisierung des Substrats durch Aufschmelzen des mindestens einen Preforms. Erfindungsgemäß wird auf das mindestens eine Preform oder auf den mindestens einen Halbleiter-Chip eine Flüssigkeit aufgebracht, sodass der auf dem Preform positionierte Halbleiter-Chip von einer durch die Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskraft gehalten wird, wobei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit weniger als 5 mPa s beträgt.
Gemäß einem zweiten Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Substrats mit einer Metallisierung und das Bereitstellen von mindestens einem Preform aus festem Lotmaterial. Mindestens ein Halbleiter-Chip wird auf einem korrespondierenden Preform positioniert, und im Anschluss erfolgt die Herstellung der Lötverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleiter-Chip und der Metallisierung des Substrats durch Aufschmelzen des mindestens einen Preforms. Erfindungsgemäß wird auf das mindestens eine Preform oder auf die Metallisierung an mindestens einer Lötposition eine Flüssigkeit aufgebracht. An jeder Lötposition auf der Metallisierung des Substrats wird ein Preform so positioniert, dass das mindestens eine Preform von einer durch die Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskraft gehalten wird, wobei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit weniger als 5 mPa s beträgt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Beschreibung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiter-Moduls. Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer metallischen Bodenplatte des Leistungshalbleiter-Moduls, das Bereitstellen eines Leistungselektronik-Substrats mit mindestens einem darauf angeordneten Halbleiter-Chip sowie das Bereitstellen eines Preforms aus festem Lotmaterial. Das Preform wird auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Bodenplatte positioniert und lokal an der Bodenplatte durch Laserschweißen befestigt. Das Leistungselektronik-Substrat wird auf dem auf der Bodenplatte befestigten Preform positioniert. Schließlich erfolgt die Herstellung der Lötverbindung zwischen dem Leistungselektronik-Substrats und der Bodenplatte durch Aufschmelzen des Preforms.
Erfindungsgemäß wird auf ein Preform oder auf die Bodenplatte eine Flüssigkeit aufgebracht und das Preform wird auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Bodenplatte so positioniert, dass das Preform von einer durch die Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskraft gehalten wird, wobei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit weniger als 5 mPa s beträgt.
Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer metallischen Bodenplatte, das Bereitstellen eines Leistungselektronik-Substrats mit mindestens einem darauf angeordneten Halbleiter-Chip sowie das Bereitstellen eines Preforms aus festem Lotmaterial.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Leistungshalbletiermoduls,
2 zeigt einen ersten Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem oder mehreren Halbleiter-Chips und einem Leistungselektronik-Substrat;
3 zeigt einen zweiten Teil eines Verfahrens zum Herstellen der Lötverbindung zwischen einem oder mehreren Halbleiter-Chips und einem Leistungselektronik-Substrat;
4 zeigt eine Alternative zu dem Teil des Verfahrens gemäß 3
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder korrespondierende Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
Für die folgende Beschreibung sei angemerkt, dass im Folgenden unter „Löten” grundsätzlich Weichlöten (Soldering) verstanden wird, wobei die Liquidustemperatur des Lotes typischerweise unter 450° Celsius liegt. Zum Zwecke der Verbindung von Halbleiterbauelementen mit einem Träger (z. B. einem Leistungselektronik-Substrat) kommt Hartlöten (Brazing) aufgrund der hohen Temperaturen beim Lötprozess nicht in Betracht (Liquidustemperatur des Lotes größer 450° Celsius).
Zunächst wird bezugnehmend auf 1 ganz allgemein ein Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls 100 beschrieben. Das Leistungshalbleitermodul 100 umfasst eine flache Grundplatte 8 mit einer Oberseite 8t und einer Unterseite 8b. Zusammen bilden die Grundplatte 8 und ein Spritzgussgehäuse 4, welches Seitenwände 41 und (optional) einen Gehäusedeckel 42 aufweist, ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls 100.
Das Modul 100 umfasst wenigstens ein Leistungselektronik-Substrat 2 (power electronic substrate). Jedes Substrat 2 besitzt einen z. B. dielektrischen Isolationsträger 20, der mit einer oberen Metallisierung 21 und mit einer optionalen unteren Metallisierung 22 versehen ist. Der Isolationsträger 20 dient dazu, die obere Metallisierung 21 gegenüber der Grundplatte 8 elektrisch zu isolieren. Bei dem Leistungselektronik-Substrat kann es sich insbesondere um eine DCB-Substrat (DCB = double copper bonded), ein DAB-Substrat (DAB = double aliminum bonded) oder ein AMB-Substrat (AMB = active metal braze) handeln, bei denen der Isolationsträger 20 meist aus Keramik besteht. Ein weiteres Leistungselektronik-Substrat ist das sogenannte IMS-Substrat (IMS = insulated metal substrate), bei dem ein metallischer Träger durch eine dünne Isolationsschicht von der Metallisierung 21 isoliert ist. Die obere Metallisierung ist strukturiert und weist daher Leiterbahnen, Löt-Pads und Bond-Pads und dgl. auf.
Auf dem Substrat 2 sind ein oder mehrere Leistungshalbleiterchips 1 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann ein jeder der Leistungshalbleiterchips 1 einen steuerbaren Leistungshalbleiterschalter aufweisen, beispielsweise einen IGBT (insulated gate bipolar transistor), einen MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), einen JFET (junction field effect transistor), einen Thyristor, oder eine Diode. Die Anzahl und die Art der auf dem Substrat 2 angeordneten, Abwärme erzeugenden Leistungshalbleiterchips 1 ist an jedoch beliebig und hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
In 1 sind die Leistungshalbleiterchips 1 mit Hilfe einer Lotschicht 11 mit der oberen Metallisierung 21 mechanisch und auch elektrisch leitend verbunden. Die Oberseiten der Halbleiterchips 1 können elektrisch beispielsweise mit Hilfe von Bonddrähten oder Druckkontakten kontaktiert sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind mehrere Bonddrähte 5 vorgesehen, die verschiedene Komponenten des Moduls 100 miteinander verbinden. Die Lotschicht 11 liegt vor dem Lötprozess in Form eines festen Lötformteils vor, welches in der Folge als Preform bezeichnet wird.
Um eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterchips 1 zu ermöglichen, besteht eine wichtige Eigenschaft des Isolationsträgers 20 in einem geringen Wärmeübergangswiderstand. Daher ist es erforderlich, dass das Material und die Dicke der dielektrischen Schicht 20 an die Erfordernisse des Leistungshalbleitermoduls 100 angepasst ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Isolationsträger 20 um eine Keramik handeln, so dass das Substrat 2 ein Keramiksubstrat bildet. Beispielsweise kann der Isolationsträger 20 eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Aluminiumoxid (Al2O3); Aluminiumnitrid (AlN); Siliziumnitrid (Si3N4). Weiterhin kann die Dicke von einem, mehreren oder einem jeden derartigen Keramiksubstrate im Bereich von 0,2 mm bis 2 mm liegen. Alternativ ist der Isolationsträger aus isoliertem Metall (bei IMS-Subtraten).
Die Grundplatte 8 kann eine elektrisch leitende Metallplatte (z. B. aus Kupfer oder Aluminium) aufweisen oder aus einer solchen bestehen, die optional auf ihrer Oberfläche mit einer dünnen Materialschicht, z. B. aus Nickel, zur Verbesserung der Lötbarkeit der Grundplatte 8 versehen ist. Das Substrat 2 kann mit der Grundplatte 8 z. B. durch Weichlöten verbunden werden (Lotschicht 23). Leistungshalbleiter-Module können auch ohne Grundplatte 8 realisiert werden. Bei derartigen bodenplattenlosen Modulen ersetzt das Substrat 2 die Bodenplatte und bildet direkt den Boden des Moduls.
Allgemein umfasst ein Leistungshalbleitermodul 100 eine Anzahl von Anschlussstiften 3 (oft rechteckig im Querschnitt), die mit Anschlüssen 31 versehen sind, welche eine elektrische Verbindung des Moduls 100 mit anderen Komponenten wie beispielsweise Spannungsversorgungseinheiten, Zwischenkreiskondensatoren, elektrischen Maschinen, anderen Leistungshalbleitermodulen und/oder einer Steuereinheit ermöglichen. Im Inneren des Modulgehäuses 4 sind die Anschlussstifte 3 elektrisch mit der oberen Metallisierung 21 und/oder mit einem oder mehreren der Leistungshalbleiterchips 1 verbunden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die betreffenden elektrischen Verbindungen mit Hilfe von Bonddrähten 5 realisiert. Allerdings sind beliebige andere Verbindungstechniken zur Herstellung der betreffenden elektrisch leitenden Verbindungen ebenso geeignet.
Um die Unterseite 8b des Moduls 100 an einen (nicht dargestellten) Kühlkörper zu montieren, können die Grundplatte 8 und das Modulgehäuse 4 optionale Schraubenlöcher 84 bzw. 44 aufweisen. Optional kann das Innere des Gehäuses 4 mit einer isolierenden Weichvergussmasse (nicht gezeigt), z. B. einem Silikongel, gefüllt sein, welches sich ausgehend von der Grundplatte 8 erstreckt und zumindest die obere Metallisierung 21 und die Leistungshalbleiterchips 1 bedeckt, um die Isolationsfestigkeit des Moduls 100 zu erhöhen.
Wie eingangs erwähnt kann die Lötverbindung zwischen den Halbleiter-Chips 1 und der Metallisierung 21 des Substrats 2 (z. B. Keramiksubstrat) auf unterschiedliche Art hergestellt werden, wobei bei der Vorbereitung des Lötprozesses häufig das Lot (vgl. Lotschicht 11 in 1) in pastöser Form auf die gewünschten Lötpositionen (Fügestelle) der Metallisierung 21 aufgedruckt wird. Bei der Verwendung von festen Lotformteilen (Preforms) stellt sich – im Gegensatz zum Aufdrucken von Lötpaste – das Problem der effizienten und zuverlässigen Positionierung der Preforms auf dem Substrat. Die 2 und 3 zeigen einen Teil eines Herstellungsverfahrens für ein Leistungselektronikmodul, insbesondere die das Löten vorbereitenden Verfahrensschritte, welche vor dem eigentlichen Lötprozess (d. h. das Erhitzen des Lots auf oder über die Liquidustemperatur des Lots) durchgeführt werden. Die 2a, 2b, 2c und 2d zeigen dabei die automatische Positionierung und Fixierung der Preforms 33 auf dem Substrat. Die 3a, 3b und 3c zeigen die darauf folgende automatische Positionierung und Fixierung der Halbleiter-Chips 1 auf den jeweiligen Preforms 33.
Das hier beschriebene Verfahren betrifft die Lötverbindung zwischen mindestens einem Halbleiter-Chip 1 und einem Substrat 2, welches beispielsweise als Leistungselektronik-Substrat mit keramischen Isolationsträger 20 ausgeführt ist. Bei Leistungshalbleiter-Modulen mit metallischer Grundplatte 8 (Bodenplatte) kann das Verfahren jedoch auch zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen der unteren Metallisierung 22 des Substrats 2 und der Grundplatte 8 verwendet werden.
Gemäß dem hier beschriebenen Beispiel wird das Ausgangsmaterial für die Preforms in Form zu einer Spule (Lotrolle 30) gewickelten Folie bereitgestellt. Gemäß 2a wird die Folie abgewickelt und zu Preforms der erforderlichen Geometrie konfektioniert. Dies kann beispielsweise durch Ablängen der Folie mit Hilfe eines Schneidwerkszeuges 32 (Cutter), durch Ausstanzen des Preforms aus der Folie oder durch Ausschneiden (z. B. Laserschneiden) des Preforms aus der Folie bewerkstelligt werden. Dabei kann das Preform 33 mit einem Greifer 31 eines Pick-and-Place-Automaten (Bestückungsautomaten) gehalten (siehe 2b) und anschließend an der gewünschten Lötposition (Fügestelle) auf dem Substrat 2 positioniert werden (siehe 2c). Noch während der Greifer 31 das Preform 33 an der Lötposition hält (d. h. vor dem Loslassen des Preforms 33), wird das Preform 33 mit Hilfe eines Lasers 34 (Laserstrahl 35) durch sogenanntes Mikro-Laserschweißen an dem Substrat 2 fixiert. Als 34 Laser können hierbei lampen- oder diodengepumpte Festkörperlaser zum Einsatz kommen, wobei das Schweißen als Einzelpunktschweißen durchgeführt wird. Als Alternative kann der Strahl eines Faserlasers mit guter Strahlqualität und guter Fokussierbarkeit auf einer Kreisbahn (oder entlang einer anders geformten Bahn) geführt werden, entlang der das Preform 33 mit dem darunter liegenden Substrat verschweißt wird. Die genannten Schweißverfahren führen zu einer nur sehr geringen Einschweißtiefe in die Metallisierung 21 des Substrats 2 und verursacht einen geringen Energieeintrag in das Preform 33, um dieses möglichst wenig zu deformieren. Nach dem Schweißen kann der Greifer 31 des Pick-ans-Place-Automaten das Preform 33 loslassen.
Der Durchmesser der einzelnen Schweißpunkte (d. h. der Durchmesser der beim Schweißen entstehenden, annähernd kreisförmigen Fügestelle) ist gemäß einem Beispiel des hier beschriebenen Verfahrens kleiner als 0,5 mm, wobei zur Fixierung eines Preforms 33 mehr als ein Schweißpunkt vorgesehen ist. Zur Vermeidung bzw. Reduktion von Oxidationsprozessen, welche durch das Schweißen bewirkt werden, kann der beschriebene Laserschweißvorgang in einer Schutzgasatmosphäre (beispielsweise Argon oder Stickstoff) durchgeführt werden. Das Schutzgas (Inertgas) kann über eine Düse zugeführt werden. Des Weiteren kann der Schweißvorgang in einer Kammer durchgeführt werden, in der sich aufgrund des Gewichts der Gasmoleküle sich eine homogene Atmosphäre (z. B. aus Argon) bildet. Ein mit Preforms 33 bestücktes Substrat 2 ist in 2d dargestellt.
Auf die am Substrat 2 durch Laserschweißen fixierten Preforms 33 werden in der Folge die mit dem Substrat (durch Weichlöten) zu verbindenden (Leistungs-)Halbleiter-Chips 1 aufgebracht. Dieser Vorgang ist in 3a, 3b und 3c dargestellt. Gemäß 3a wird, beispielsweise mit Hilfe eines Dispensers 36, auf die fixierten Preforms 33 ein Tropfen einer niederviskosen Flüssigkeit 37 aufgetropft. Die Flüssigkeitsmenge ist abhängig von der jeweiligen Anwendung und für eine konkrete Konfiguration des Verfahrens individuell zu ermitteln. Die (dynamische) Viskosität der Flüssigkeit 37 ist insbesondere kleiner als 5 mPa·s. Auf die Preforms 33 und somit auch auf die darauf aufgetropfte Flüssigkeit werden jeweils die aufzulötenden Halbleiter-Chips 1 mit einer definierten Kraft und einer definierten Haltedauer angedrückt. Zu diesem Zweck kann ebenfalls ein Greifer 40 eines Pick-and-Place-Automaten verwendet werden, der je einen Halbleiter-Chip 1 über dem korrespondierenden Preform 33 positioniert und mit definierter Kraft auf das Preform 33 drückt. Nach dem Loslassen des Halbleiter-Chips 1 (nach der genannten Haltedauer) hält der Chip 1 auf dem Preform 33 aufgrund der von der Flüssigkeit 37 bewirkten Adhäsionskräfte. Die auf die beschriebene Weise vorbereitete Baugruppe (Substrat 2, Preforms 33, Flüssigkeitstropfen 37 und Chips 1) kann nun im Lötofen gelötet werden, wobei die Preforms 33 aufschmelzen und die in 1 dargestellten Lotschichten 11 gebildet werden.
In den Halbleiter-Chips 1 können ein oder mehrere Leistungshalbleiter-Bauelemente integriert sein wie z. B. IGBTs, MOSFETs, Dioden, etc. Die Halbleiter-Chips 1 haben dabei eine Fläche von zwischen 1 × 1 mm² und 15 × 15 mm² und sind zwischen 20 μm und 1000 μm dick. Optional können vor dem Löten, die Halbleiter Chips 1 noch mit einem Gewicht 41 beschwert werden, welches beim Löten eine definierte (Gewichts-)Kraft auf die Halbleiter-Chips 1 und damit einen definierten Druck auf die Fügestellen (an den Lötpositionen zwischen Chips 1 und Substrat 2) ausübt.
In 4 (4a bis 4e) ist eine Alternative zu dem in 2 dargestellten Teil des Verfahrens dargestellt, wobei die 4a und 4b identisch sind mit den 2a und 2b, d. h. die Konfektionierung der Preforms 33 erfolgt auf die gleiche Weise wie bereits in Bezug auf 2a und 2b beschrieben. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Variante erfolgt die Fixierung des Preforms 33 an der Metallisierung 21 des Substrats 2 nicht durch Laserschweißen, sondern durch Adhäsionskräfte, welche durch eine Flüssigkeit 37 bewirkt werden, die an der Lötposition auf die Metallisierung 21 aufgebracht wird (siehe 4c). Alternativ kann auch das Preform 33 mit der Flüssigkeit benetzt werden. Mit Hilfe des Greifers 31 wird das Preform 33 an der gewünschten Lötposition auf der Metallisierung 21 des Substrats 2 positioniert (siehe 4d), sodass das Preform 33 durch die von der Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskräfte an der Substrat-Metallisierung 21 gehalten (und gegen Verrutschen gesichert) wird (siehe 4e). Der restliche Teil des Verfahrens kann gemäß 3 fortgesetzt werden.
Im Folgenden werden einige Aspekte der Erfindung zusammengefasst. Es sei jedoch angemerkt, dass es sich dabei nicht um eine abschließende Aufzählung handelt. Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem oder mehreren Halbleiter-Chips und einem Substrat mittels Weichlöten. Gemäß einem Beispiel der Erfindung wird ein Substrat 2 mit einer Metallisierung 21 sowie mindestens ein Preform 33 aus festem Lotmaterial bereitgestellt. Üblicherweise (jedoch nicht zwangsläufig) wird ein Preform pro Halbleiter-Chip benötigt. Die Preforms 33 werden auf den korrespondierenden Lötposition auf der Metallisierung 21 des Substrats 2 positioniert, was beispielsweise mit Hilfe eines Greifers 31 eines Pick-and-Place-Automaten bewerkstelligt werden kann. Die Preforms 33 werden dann an der Metallisierung 21 des Substrats 2 mittels Laserschweißen fixiert (siehe 2c). Beispielsweise wird die Schweißverbindung durch Herstellen mehrerer Schweißpunkte gebildet. Alternativ können die Preforms 33 auch durch Adhäsionskräfte an dem Substrat 2 fixiert werden, wozu vor dem Positionieren eines Preforms die Substrat-Metallisierung 21 an der Lötposition oder das Preform 33 mit einer Flüssigkeit benetzt wird.
Im Anschluss werden die Halbleiter-Chips 1 auf den korrespondierenden (durch Laserschweißen oder Adhäsion fixierten) Preforms 33 positioniert. Wie oben erläutert, wird zuvor auf das Preform eine Flüssigkeit 37 aufgetropft, deren Adhäsionskräfte zwischen den Halbleiter-Chips 1 und der Metallisierung 21 des Substrats 2 wirken. Alternativ könnte auch ein Teil der Oberfläche des Halbleiterchips mit der Flüssigkeit benetzt werden. Durch die Adhäsionskräfte werden die Halbleiter-Chips 1 gegen Verrutschen gesichert. Während des Lötprozesses werden die Preforms 33 aufgeschmolzen, wodurch eine feste Lötverbindung mit intermetallsichen Phasen entsteht.
Im Gegensatz zu anderen Verfahren, welche ein pastöses Lot benötigen, wird gemäß den hier beschriebenen Beispielen das Lotmaterial in festem Aggregatzustand bereitgestellt, beispielsweise in Form einer Folie, welche zu einer Rolle gewickelt sein kann (von der die Folie während des Verfahrens sukzessive abgewickelt wird). Das Lotmaterial wird zugeschnitten, um die Preform 33 herzustellen. Das Zuschneiden kann z. B. mechanisch mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs erfolgen oder durch Stanzen oder Laserschneiden.
Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht ein Positionieren der Preforms und der Halbleiter-Chips, ohne einen Lotrahmen verwenden zu müssen. Dadurch wird auch die Einbringung von Materialien (das des Lotrahmens) auf das Substrat vermieden, welche den weiteren Produktionsprozess beeinflussen können. Die Konfektionierung (das Zuschneiden) der Preforms und deren Verarbeitung ist effizient in einem Prozess möglich.
Wie bereits erwähnt kann das hier beschriebene Verfahren bei der Herstellung von Leistungshalbleiter-Modulen mit metallischer Grundplatte (Bodenplatte) auch zur Herstellung der Lötverbindung zwischen Leistungselektronik-Substrat und Grundplatte verwendet werden (vgl. 1, Lotschicht 23). Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiter-Moduls. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen der metallischen Bodenplatte 8, eines (bereits mit Halbleiter-Chips 1 bestückten) Leistungselektronik-Substrats 2 sowie eines Preforms 33 aus festem Lotmaterial. Das Preform 33 wird auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Bodenplatte 8 positioniert und an der Bodenplatte 8 durch Laserschweißen fixiert. Alternativ kann das Preform 33 auch durch Adhäsionskräfte an der Bodenplatte 8 fixiert werden, wozu vor dem Positionieren des Preforms die Bodenplatte 8 an der Lötposition oder das Preform 33 mit einer Flüssigkeit benetzt wird.
Im Anschluss wird das Leistungselektronik-Substrat 2 auf dem an der Bodenplatte 8 (durch Laserschweißen oder Adhäsion) fixierten Preform (33) positioniert. Während des Lötprozesses wird das Preform 33 aufgeschmolzen, wodurch eine feste Lötverbindung mit intermetallsichen Phasen entsteht. Um ein Verrutschen des Substrats auf dem Preform zu verhindern kann vor dem Positionieren in der bereits beschriebenen Art und Weise eine Flüssigkeit auf das Preform 33 aufgetropft werden. Alternativ kann auch die Metallisierung 22 des Substrats 2 benetzt werden. Die von der Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskräfte halten das Substrat an der gewünschten Position auf dem Preform. Im Übrigen können sämtliche im Zusammenhang mit der Herstellung der Lötverbindung zwischen Halbleiter-Chips und Substrat beschriebenen Aspekte auch auf die Herstellung der Lötverbindung zwischen Substrat und Grundplatte übertragen werden. Werden zwei Komponenten durch Adhäsion aneinander fixiert spielt es keine Rolle, welcher der beiden Komponenten zuvor mit der Flüssigkeit 37 benetzt wird. Die Fixierung zweier Komponenten aneinander durch Laserschweißen kann in allen beschriebenen Beispielen durch eine Fixierung mittels Adhäsionskräften ersetzt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens einem Halbleiter-Chip und einem Substrat mittels Weichlöten; das Verfahren umfasst folgendes: Bereitstellen eines Substrats (2) mit einer Metallisierung (21); Bereitstellen von mindestens einem Preform (33) aus festem Lotmaterial; Positionieren des mindestens einen Preforms (33) auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Metallisierung (21) des Substrats (2); Lokales Befestigen des mindestens einen Preforms (33) an der Metallisierung (21) des Substrats (2) durch Laserschweißen; Aufbringen einer Flüssigkeit (37) auf den mindestens einen Preform (33) oder den mindestens einen Halbleiter-Chip (1) und Positionieren des mindestens einen Halbleiter-Chips (1) auf dem korrespondierenden Preform (33), sodass der auf dem korrespondierenden Preform (33) positionierte Halbleiter-Chip (33) durch von der Flüssigkeit bewirkte Adhäsionskraft gehalten wird, wobei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit (37) weniger als 5 mPa s beträgt; Aufschmelzen des mindestens einen Preforms (33) zur Herstellung der Lötverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleiter-Chip (1) und der Metallisierung (21) des Substrats (2).
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Positionieren des mindestens einen Preforms (33) automatisiert mit Hilfe eines Greifers (31) eines Pick-and-Place Automaten durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem das Substrat ein Leistungselektronik Substrat ist.
Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens einem Halbleiter-Chip und einem Substrat mittels Weichlöten; das Verfahren umfasst folgendes: Bereitstellen eines Substrats (2) mit einer Metallisierung (21); Bereitstellen von mindestens einem Preform (33) aus festem Lotmaterial; Aufbringen einer Flüssigkeit (37) auf die Metallisierung (21) an mindestens einer Lötposition oder auf das mindestens eine Preform (33), wobei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit (37) weniger als 5 mPa s beträgt; Positionieren eines Preforms (33) an jeder Lötposition auf der Metallisierung (21) des Substrats (2), sodass das mindestens eine Preform (33) von einer durch die Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskraft gehalten wird; Positionieren von mindestens einem Halbleiter-Chip (1) auf einem korrespondierenden Preform (33); Aufschmelzen des mindestens einen Preforms (33) zur Herstellung der Lötverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleiter-Chip (1) und der Metallisierung (21) des Substrats (21).
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4, bei dem das Bereitstellen von mindestens einem Preform (33) folgendes umfasst: Bereitstellen von Lotmaterial (30) in festem Aggregatzustand; Zuschneiden des Lotmaterials (30) zu mindestens einem Preform (33).
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Lotmaterial in Form einer auf einer Rolle aufgewickelten Folie bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem das Zuschneiden des Lotmaterials mechanisch mit einem Schneidwerkzeug oder durch Stanzen oder durch Laserschneiden erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, welches weiter umfasst: Aufbringen einer Flüssigkeit (37) auf das Preform (33) oder den Halbleiter-Chip (1) vor dem Positionieren des mindestens einen Halbleiter-Chips (1), sodass der nachfolgend auf dem Preform (33) positionierte Halbleiter-Chip (1) durch von der Flüssigkeit bewirkte Adhäsionskraft gehalten wird.
Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiter-Moduls, das folgendes umfasst: Bereitstellen einer metallischen Bodenplatte (8); Bereitstellen eines Leistungselektronik-Substrats (2) mit mindestens einem darauf angeordneten Halbleiter-Chip (1); Bereitstellen eines Preforms (33) aus festem Lotmaterial; Positionieren des Preforms (33) auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Bodenplatte (8); Lokales Befestigen des Preforms (33) an der Bodenplatte (8) durch Laserschweißen; Aufbringen einer Flüssigkeit (37) auf das Preform (33) oder das Leistungselektronik-Substrat (2) und Positionieren des Leistungselektronik-Substrats (2) auf dem auf der Bodenplatte (8) befestigten Preform (33), sodass das auf dem Preform (33) positionierte Leistungselektronik-Substrat (2) durch von der Flüssigkeit bewirkte Adhäsionskraft gehalten wird, wobei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit (37) weniger als 5 mPa·s beträgt; Aufschmelzen des Preforms (33) zur Herstellung der Lötverbindung zwischen dem Leistungselektronik-Substrat (2) und der Bodenplatte (8).
Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiter-Moduls, das folgendes umfasst: Bereitstellen einer metallischen Bodenplatte (8); Bereitstellen eines Leistungselektronik-Substrats (2) mit mindestens einem darauf angeordneten Halbleiter-Chip (1); Bereitstellen eines Preforms (33) aus festem Lotmaterial; Aufbringen einer Flüssigkeit (37) auf das Preform (33) oder die Bodenplatte (8), wobei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit (37) weniger als 5 mPa·s beträgt; Positionieren des Preforms (33) auf einer korrespondierenden Lötposition auf der Bodenplatte (8), sodass das Preform (33) von einer durch die Flüssigkeit bewirkten Adhäsionskraft gehalten wird; Positionieren des Leistungselektronik-Substrats (2) auf dem auf der Bodenplatte (8) befestigten Preform (33); Aufschmelzen des Preforms (33) zur Herstellung der Lötverbindung zwischen dem Leistungselektronik-Substrat (2) und der Bodenplatte (8).
Verfahren gemäß Anspruch 10, welches weiter umfasst: Aufbringen einer Flüssigkeit (37) auf das Preform (33) oder das Leistungselektronik-Substrat (2) vor dem Positionieren des Leistungselektronik-Substrats (2), sodass das nachfolgend auf dem Preform (33) positionierte Leistungselektronik-Substrat (2) durch von der Flüssigkeit bewirkte Adhäsionskraft gehalten wird.