DE102014206606A1 - Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelements auf einem Substrat - Google Patents

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Nora Busche
Jörg Strogies
Klaus Wilke
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    • H01L2224/29347—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/32227—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bond pad of the item
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    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
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    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
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    • H01L2224/773—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
    • H01L2224/77313—Wedge
    • H01L2224/77325—Auxiliary members on the pressing surface
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    • H01L2224/793—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
    • H01L2224/79301—Pressing head
    • H01L2224/79314—Auxiliary members on the pressing surface
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8319—Arrangement of the layer connectors prior to mounting
    • H01L2224/83192—Arrangement of the layer connectors prior to mounting wherein the layer connectors are disposed only on another item or body to be connected to the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
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    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/495—Lead-frames or other flat leads
    • H01L23/49541—Geometry of the lead-frame
    • H01L23/49548—Cross section geometry
    • H01L23/49551—Cross section geometry characterised by bent parts
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    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L24/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00014—Technical content checked by a classifier the subject-matter covered by the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group, being disclosed without further technical details
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    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10613—Details of electrical connections of non-printed components, e.g. special leads
    • H05K2201/10742—Details of leads
    • H05K2201/10886—Other details
    • H05K2201/10924—Leads formed from a punched metal foil
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10613—Details of electrical connections of non-printed components, e.g. special leads
    • H05K2201/10742—Details of leads
    • H05K2201/10886—Other details
    • H05K2201/10946—Leads attached onto leadless component after manufacturing the component
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Montieren von elektrischen Bauelementen (17) auf einem Substrat (14). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauelement (17) auf dem Substrat (14) zusammen mit Kontaktierungsstrukturen (12) und vorzugsweise auch einem Grundkörper (23) vormontiert wird. Erst wenn die komplette Baugruppe vormontiert wurde, werden elektrische Verbindungen (27) sowie vorzugsweise auch eine Verbindung (28) zwischen dem Grundkörper (23) und dem Substrat (14) in einem Arbeitsgang durch Temperatureinwirkung oder Temperatur- und Druckeinwirkung fertiggestellt, wobei die Verbindungen (27, 28) in drei unterschiedlichen Fügeleveln (20, 21, 22) liegen. Die Kontaktierungsstrukturen überbrücken dabei auch mehrere Fügelevel. Vorteilhaft kann auf diese Weise der Aufwand bei der Montage insbesondere von leistungselektronischen Baugruppen verringert werden, da die komplette Baugruppe erst zusammengesetzt und dann komplett gefügt wird (beispielsweise durch Diffusionslöten oder Sintern).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelements auf einem Substrat. Bei diesem Verfahren werden folgende Verfahrensschritte durchlaufen. Das Bauelement weist eine dem Substrat zugewandte Unterseite und eine dieser gegenüber liegende Oberseite auf. Die Unterseite des Bauelements wird mit dem Substrat mechanisch, insbesondere stoffschlüssig verbunden. Eine Kontaktierungsstruktur wird mit der Oberseite des Bauelements und mit der Montageseite des Substrats elektrisch verbunden. Die gefügten Verbindungen liegen dabei auf mindestens zwei unterschiedlichen Fügeleveln. Die Fügelevel werden dadurch definiert, dass sich die Kontakte elektronischer Bauelemente beim Montieren auf einem Substrat und beim Kontaktieren in verschiedenen Ebenen befinden, wobei der Ausdruck Ebene hier im technischen und nicht im mathematischen Sinne gemeint ist. Eine Ebene oder auch der zugehörige Fügelevel definiert Bereiche, in denen bestimmte Fügeverbindungen der zu kontaktierenden Bauelemente liegen. Durch die Anordnung von Bauelementen übereinander liegen die Fügelevel vorzugsweise ebenfalls übereinander, insbesondere in paralleler Ausrichtung zueinander.
  • Verfahren zum Montieren von elektronischen Bauelementen auf Substraten sind bekannt. Diese Montageverfahren finden auch bei der Montage von elektronischen Baugruppen der Leistungselektronik Anwendung. Beispielsweise ist in der DE 100 62 108 A1 beschrieben, dass ein Leistungsmodul ausgebildet werden kann, bei dem die elektronischen Leistungsbauelemente über eine Sinterschicht mit dem Substrat verbunden werden können. Bei dem Substrat kann es sich um in der Leistungselektronik üblicherweise verwendete DCB-Keramiksubstrate handeln (DCB steht für Direct Copper Bond). Die Oberseiten der Leistungsbauelemente können mit einer Sinterschicht beispielsweise an eine zusätzliche Wärmekapazität angeschlossen werden, die einen Kühlkörper zur Verfügung stellt. Genauso kann das Substrat mit seiner Unterseite über eine Sinterschicht mit einem weiteren Kühlkörper verbunden werden.
  • Gemäß der DE 10 2007 047 698 A1 ist bekannt, dass die Sinterverbindungen elektronischer Baugruppen mit Hilfe spezieller Werkzeuge gefertigt werden können. Diese Werkzeuge weisen Druckflächen auf, die die zu sinternden Bauteile berühren, so dass während der Sinterbehandlung ein Druck auf diese ausgeübt werden kann. Über Toleranzausgleiche in dem Werkzeug kann gewährleistet werden, dass der aufgebrachte Druck auch dann gleichmäßig ist, wenn die zu sinternde Baugruppe toleranzbedingte Fertigungsungenauigkeiten aufweist. Bei der Sinterbehandlung wird zusätzlich zu dem Druckaufbau das Erreichen einer bestimmten Sintertemperatur über einen definierten Zeitraum erforderlich. Statt Sinterverbindungen können auch Lötverbindungen vorgesehen werden.
  • Gemäß der US 2013/0201631 A1 ist darauf zu achten, dass die für den Sintervorgang notwendigen Temperaturen so gewählt sind, dass bereits montierte Fügeverbindungen in der Baugruppe durch die gerade stattfindende Wärmebehandlung nicht wieder aufgeschmolzen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Bauteilverbindungen, die vor dem betreffenden Verbindungsvorgang schon durchgeführt wurden, Verbindungsmaterialen aufweisen, deren Prozesstemperaturen (Erweichungstemperatur, Sintertemperatur, Schmelztemperatur) mit einem genügenden Sicherheitsabstand oberhalb derjenigen Prozesstemperatur des gerade stattfindenden Verbindungsprozesses liegen. Auf diesem Wege werden die bereits ausgebildeten Fügeverbindungen hinsichtlich ihrer Integrität durch den gerade ablaufenden Verbindungsvorgang nicht gefährdet.
  • Nach erfolgter Montage der Bauelemente auf dem Substrat muss in der Regel noch eine Kontaktierung dieser Bauelemente mit dem Substrat über geeignete Kontaktierungsstrukturen erfolgen. Dabei werden an der Oberseite des Bauelements liegende Kontakte mit korrespondierenden Kontakten auf dem Substrat verbunden. Hierzu können neben den allgemein bekannten Bonddrähten gemäß der US 2012/0106109 A1 auch metallische Leitstrukturen verwendete werden, die beispielsweise Teil eines Leadframes sein können. Die in geeigneter Weise gebogenen Leitstrukturen werden vorzugsweise mittels Sintern oder Löten mit den betreffenden Kontaktflächen verbunden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kontaktierungsstrukturen durch Flexfolien zur Verfügung zu stellen, auf denen die Leitstruktur beispielsweise aufgedruckt ist. Auch die Flexfolien können gemäß der DE 10 2009 016 112 A1 mittels Sinterverbindungen an den betreffenden Kontaktflächen der Oberseite des Bauelements und der Montageseite des Substrats verbunden werden.
  • Durch die bei Aufbauten der Leistungselektronik umgesetzten elektrischen Leistungen werden die leistungselektronischen Baugruppen thermisch und elektrisch stark belastet, weswegen die elektrischen Verbindungen und anderen Fügeverbindungen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen müssen. Gerade Sinterverbindungen eignen sich zu diesem Zweck in besonderem Maße, da ihre thermische Stabilität sowie eine fehlerfreie Ausbildung der Fügeverbindung gewährleistet werden können. Allerdings bedeutet die Montage leistungselektronischer Baugruppen durch Sinterverbindungen im Vergleich beispielsweise zum Löten zur Zeit einen gewissen Mehraufwand in der Fertigung.
  • Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Montieren von elektronischen Bauelementen auf einem Substrat anzugeben, bei denen das Montageverfahren so weit vereinfacht wird, dass auch die Herstellung von Baugruppen für elektronische Leistungsschaltungen auf vereinfachtem Wege erfolgen kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Substrat, das Bauelement und die Kontaktierungsstruktur in der zu erzeugenden Konfiguration zueinander platziert werden. Erst danach sollen die Fügeverbindungen am Bauelement innerhalb der mindestens zwei Fügelevel in ein und demselben Arbeitsgang durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperatur- und Druckerhöhung fertiggestellt werden. Gemäß der Erfindung ist mit anderen Worten vorgesehen, dass das Verfahren zur Montage der elektronischen Baugruppe auf dem Substrat in zwei definierten Prozessabschnitten ablaufen soll. Im ersten Prozessabschnitt werden alle zu montierenden Bauteile der Baugruppe zueinander platziert. Hierbei kommt es auch zu einer mechanischen Fixierung der Bauteile (Vormontage). In der zweiten Fertigungsphase werden die Fügeverbindungen fertiggestellt. Hierzu ist die Anwendung eines geeigneten Fügeverfahrens notwendig, wobei je nach Art der herzustellenden Fügeverbindungen eine Temperaturerhöhung (beispielsweise beim Löten) oder eine Temperatur- und Druckerhöhung (beispielsweise beim Diffusionslöten oder beim Sintern) erforderlich ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese Fügeverbindungen in einem Arbeitsgang hergestellt werden können. Hierzu ist es erforderlich, alle zu erzeugenden Fügeverbindungen auf die bei diesem einzigen Arbeitsgang eingestellten Prozessparameter auszulegen. Hierbei wird ein bestimmtes Temperaturniveau erreicht. Außerdem kann zumindest auf einen Teil der Verbindungen zusätzlich ein Druck ausgeübt werden. Die jeweils gewählte Verbindungsart sowie evtl. notwendiges Verbindungsmaterial muss nicht notwendigerweise bei allen Fügeverbindungen genau gleich sein. Wesentlich ist lediglich, dass die Prozessparameter bei allen Verbindungsarten und Materialien aufeinander abgestimmt sind und auf diese Weise die gleichzeitige Ausbildung aller Fügeverbindungen in einem Arbeitsgang erlauben.
  • Durch die gleichzeitige Ausbildung aller Fügeverbindungen wird es vorteilhaft insbesondere auch möglich, Kontaktierungsstrukturen zu montieren, deren Fügeverbindungen auf unterschiedlichen Fügeleveln liegen. Hiermit können diese Fügelevel überbrückt werden, ohne dass hierbei ein zusätzlicher Arbeitsgang notwendig würde.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterseite des Bauelements innerhalb eines ersten Fügelevels liegt, der durch eine Montageseite des Substrats zur Verfügung gestellt wird und die Oberseite des Bauelements innerhalb eines zweiten Fügelevels liegt. Der erste Fügelevel wird erfindungsgemäß durch die Ebene definiert, die gewöhnlich durch das Substrat zur Verfügung gestellt wird. Auf dieser Ebene (die bei nicht ebenen Substraten, wie beispielsweise Gehäusen, nicht zwangsläufig im mathematischen Sinne eben sein muss) liegt die Gruppe der Fügeverbindungen, mit denen jeweils die Unterseite der elektrischen Bauelemente auf dem Substrat kontaktiert wird. Die Oberseite der Bauelemente definiert dann, sofern diese elektrische Kontaktflächen aufweisen, einen zweiten Fügelevel, der durch die räumliche Höhenausdehnung der elektrischen Bauelemente von dem ersten Fügelevel beabstandet ist. Durch unterschiedliche Höhen der elektrischen Bauelemente kann es sein, dass der zweite Fügelevel nicht in einer Ebene liegt, wobei die Summe aller Kontaktflächen auf der jeweiligen Oberseite von Bauelementen diesen Fügelevel definiert.
  • Werden mehrere elektrische Bauelemente aufeinandergestapelt, so entstehen dementsprechend in jeder „Etage“ des Stapels weitere Fügelevel, die beim elektrischen Anschluss durch entsprechende Kontaktstrukturen evtl. überbrückt werden müssen. Die Anordnung der elektrischen Bauelemente derart, dass ihre Kontakte jeweils unterschiedlichen Fügeleveln zugeordnet werden können, erleichtert vorteilhaft die Montage der elektrischen Baugruppe, bei der die Bauelemente und Kontaktstrukturen Level für Level vormontiert werden können (d. h. zueinander platziert werden können), um anschließend die Fügeverbindungen in allen Fügeleveln in einem Arbeitsgang herzustellen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat mit seiner der Montageseite abgekehrten Rückseite eine Kontaktfläche zur Verfügung stellt, mit der ein dritter Fügelevel zur Verfügung gestellt wird. Innerhalb dieses Fügelevels wird ein Bauteil platziert. Anschließend wird in der erfindungsgemäßen Weise eine Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Substrat in genau dem Arbeitsgang durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperatur- und Druckerhöhung fertiggestellt, in dem auch die Fügeverbindungen am elektrischen Bauelement in dem ersten Fügelevel und dem zweiten Fügelevel (und evtl. weiteren Fügeleveln) fertiggestellt werden. Hierdurch ist vorteilhaft eine weitere Vereinfachung des Montageverfahrens möglich. Je mehr unterschiedliche Fügelevel in einem Arbeitsgang bei der Fertigstellung der Verbindungen berücksichtigt werden können, desto größer ist die Vereinfachung des Montageprozesses, was sich letztendlich auch vorteilhaft auf dessen Wirtschaftlichkeit auswirkt.
  • Bei dem Bauteil, welches auf der Rückseite des Substrats montiert wird, kann es sich beispielsweise um einen Kühlkörper handeln, der bei leistungselektronischen Baugruppen zu einer Abführung der Verlustwärme dient. Dieser Kühlkörper kann auch als Grundkörper ausgebildet sein, wobei dieser zur gemeinsamen Montage von mehreren elektronischen Baugruppen zur Verfügung steht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Substrat beidseitig mit elektrischen Bauelementen zu bestücken. Eine Kühlung könnte in diesem Fall beispielsweise durch Kühlkanäle im Substrat erfolgen.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Fügeverbindungen mit ein und demselben Fügeverfahren fertiggestellt werden. Wie bereits erwähnt, ist es ebenso möglich, unterschiedliche Fügeverfahren für die einzelnen Fügeverbindungen auszuwählen. Jedoch muss die Bedingung erfüllt sein, dass die verschiedenen ausgewählten Fügeverfahren unter den vorgegebenen Prozessbedingungen (Druck, Temperatur) durchgeführt werden können. Insbesondere die Temperatur muss über die gesamte zu montierende elektrische Baugruppe gleich sein. Der Druck kann variieren, indem beispielsweise mehrere Fügewerkzeuge zum Einsatz kommen oder ein Fügewerkzeug vorgesehen wird, bei dem beispielsweise durch Federmechanismen mit unterschiedlicher Federsteifigkeit unterschiedliche Fertigungsdrücke an unterschiedlichen Komponenten des zu fügenden Aufbaus angelegt werden. Auch für den Fall, dass alle Fügeverbindungen mit ein und demselben Fügeverfahren fertiggestellt werden, gelten diese Bedingungen.
  • Besonders vorteilhaft kann bei dem ausgewählten Fügeverfahren (insbesondere Diffusionslöten oder Sintern) auch derselbe Zusatzwerkstoff ausgewählt werden, so dass die Fertigungsbedingungen für das Fügeverfahren für die gesamte Baugruppe einheitlich sind. Es ist aber auch möglich, unterschiedliche Zusatzwerkstoffe auszuwählen, soweit diese in der oben erläuterten Weise unter den vorgegebenen Fügebedingungen fertiggestellt werden können.
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass neben den Fügeverbindungen auch die Verbindung zwischen dem Bauteil (beispielsweise dem Kühlkörper) und dem Substrat (auf der Rückseite) mit dem ausgewählten Fügeverfahren fertiggestellt werden. Hiermit können die erläuterten Vorteile auch auf das Fügen der Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Substrat ausgeweitet werden, die sich in einem Arbeitsgang zusammen mit den Fügeverbindungen auf der Montageseite des Substrats fertigstellen lassen. Natürlich können auch die Verbindungen auf der Rückseite des Substrats elektrische und/oder mechanische und/oder thermische Verbindungen sein, wenn das Bauteil, welches dort montiert wird, ein elektrisches Bauteil ist.
  • Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Fügeverfahren ein Diffusionslöten oder ein Sintern zum Einsatz kommt. Diese Verfahren eignen sich vorteilhaft in besonderer Weise, wenn Leistungselektronik montiert werden soll, da die ausgebildeten Verbindungen eine geringe Fehlerdichte aufweisen und eine hohe thermische Stabilität besitzen. Das Diffusionslöten hat einen mit dem Sintern verwandten Verfahrensablauf. Ein Zusatzwerkstoff wird in den Bereich zwischen den zu fügenden Bauteilen eingebracht, wobei dieser unter der Einwirkung von Temperatur und ggf. erhöhtem Druck zu einer Diffusion von niedrigschmelzenden und hochschmelzenden Legierungskomponenten beiträgt. Durch diese lokalen Konzentrationsänderungen kommt es in der Fügezone und an deren Grenzflächen zu den benachbarten Bauteilen zur Generierung von hochschmelzenden intermetallischen Phasen, die eine hohe Temperaturstabilität besitzen. Die entstehende Verbindung hat sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten sowie hohe mechanische Festigkeiten.
  • Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass vor dem Platzieren in der zu erzeugenden Konfiguration auf das Substrat und/oder das Bauelement und/oder die Kontaktierungsstruktur und/oder das Bauteil ein Zusatzwerkstoff aufgebracht wird. Wie bereits erwähnt, können diese Zusatzwerkstoffe das Fügen, beispielsweise das Sintern oder das Diffusionslöten erleichtern. Die für die Sintervorgänge bzw. Diffusionsvorgänge verantwortlichen Verbindungsbestandteile können allerdings auch in den Kontaktflächen für die auszubildende Verbindung enthalten sein.
  • Als Kontaktierungsstruktur können vorteilhaft ein Leadframe oder eine Flexfolie zum Einsatz kommen. Ein Leadframe erleichtert die Anordnung der Kontaktierungsstruktur auf dem Bauelement und dem Substrat. Außerdem kann dieser die Aufbringung einer Druckkraft während des Fügens erleichtern. Nach erfolgtem Platzieren oder Fertigstellen der Fügeverbindung werden überflüssige Areale des Leadframes abgetrennt (Freischneiden der Einzelkontakte). Eine Flexfolie kann zur Übertragung elektrischer Ströme mit einer Leitstruktur versehen sein, welche mit den vorgesehenen Kontaktflächen auf dem elektrischen Bauelement und dem Substrat elektrisch kontaktiert wird. Aufgrund der Flexibilität der Flexfolie können Toleranzen hierbei leicht ausgeglichen werden. Im Übrigen können die einzelnen Kontaktstellen aufgrund der Flexibilität mit unterschiedlich hohen Drücken beaufschlagt werden, wenn dies erforderlich ist.
  • Die Ausbildung der Kontaktierungsstruktur als Leadframe oder Flexfolie ermöglicht überdies vorteilhaft auf einfache Weise die Kontaktierung mit einer elektrischen Baugruppe, die dem Substrat benachbart angeordnet ist. Anders ausgedrückt befindet sich diese Baugruppe nicht auf dem betreffenden Substrat, sondern bildet eine unabhängige Baueinheit. Hierbei kann es erforderlich sein, dass diese Baueinheit mit dem Substrat und den elektrischen Bauelementen elektrisch kontaktiert wird. Dies kann vorteilhaft ebenfalls in dem Arbeitsgang erfolgen, in dem die restlichen elektrischen Verbindungen als Fügeverbindungen fertiggestellt werden.
  • Als Materialien für das elektrische Bauelement kommen alle in der HL-Technik bekannten Werkstoffe wie zum Beispiel Silizium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid oder Galliumnitrid in Betracht. Diese Materialien werden vorzugsweise auch für leistungselektronische Bauelemente verwendet. Das Substrat kann zum Beispiel aus einem keramischen Träger mit Leitebenen aus zum Beispiel Kupfer oder Aluminium gefertigt sein. Die Oberfläche kann zum Beispiel mit Nickel, Silber oder Gold beschichtet sein, wobei die Beschichtung zur Ausbildung von elektrischen Kontaktflächen und Leiterbahnen strukturiert sein kann. Als Zusatzwerkstoffe können je nach Fügeverfahren Hochtemperaturlote wie Antimon-haltige Legierungen oder konventionelle hoch-bleihaltige Lote, Diffusionslote der Materialsystems Sn-Cu, Sn-Cu-Ni, Sn-Cu-Ag, und vorzugweise silberhaltige Sinterpasten oder Sinterfolien zum Einsatz kommen. Im Folgenden werden exemplarisch folgende Beispiele für Zusatzwerkstoffe genannt.
  • Sinterverbindungen:
  • Silber-Sinterpaste (z.B. Heraeus mAgic Paste, Microbond ASP Serie) mit einem Temperaturbereich von 200–280°C
  • Diffusionslötverbindungen:
  • Materialsystem SnCu, SnAg, SnNi und weitere Materialsysteme, die hochschmelzende intermetallische Phasen bilden können. Dabei können verschiedene Formulierungen verwendet werden, wie zum Beispiel
    • – Einpastensysteme mit in der Grundmatrix aus niedrigschmelzenden Legierungen (wie SnCu) dispergierten hochschmelzenden Partikeln (z.B. Cu),
    • – Zweipastensysteme mit sequentiellen Auftragsmethoden (hochschmelzendes Cu gefolgt von SnCu-Legierung) oder
    • – Methoden, den niedrigschmelzenden Zusatzwerkstoff (z.B. SnCu-Legierung) zwischen die hochschmelzenden Grenzflächen (z.B. Cu) zu applizieren, wobei unter Prozessbedingungen durch diffusive Konzentrationsänderungen die hochschmelzende Fügezone generiert wird.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
  • 1 bis 4 ausgewählte Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als Seitenansichten und
  • 5 ein Verfahrenserzeugnis als Seitenansicht, welches nach einem alternativen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
  • Gemäß 1 ist ein Leadframe 11 dargestellt, der Kontaktierungsstrukturen 12 zur Verfügung stellt. Diese sind mit einem Zusatzwerkstoff 13 versehen, wobei in weiteren Verfahrensschritten elektrische Verbindungen als Fügeverbindungen entstehen sollen (hierzu im Folgenden noch mehr).
  • In 2 ist ein Substrat zu erkennen, welches eine Montageseite 15 und eine Rückseite 16 aufweist. Hierbei handelt es sich um ein nicht näher dargestelltes DCB-Keramiksubstrat, wobei die Kupferschichten nicht näher dargestellt sind. Auf der Montageseite 15 und auf der Rückseite 16 sind weitere Bereiche mit dem Zusatzwerkstoff 13 versehen, wo später verschiedene Fügepartner montiert werden sollen.
  • In 3 ist dargestellt, wie die zu montierende Baugruppe nach dem ersten Prozessschritt des Zusammensetzens oder des zueinander Platzierens von Bauelement 17, Substrat 14 und Kontaktierungsstruktur 12 aussieht. Es ist zu erkennen, dass auf der Montageseite 15 des Substrats im Bereich des Zusatzwerkstoffs das Bauelement 17 mit seiner Unterseite 18 auf die Montageseite 15 des Substrats 12 aufgesetzt wurde. Dieses Bauelement 17 weist auf seiner Oberseite 19 nicht näher dargestellte elektrische Kontakte auf. Auf die so gebildete Baugruppe, bestehend aus den Substrat 12 und den Bauelement 17 wird der Leadframe 11 gemäß 1 aufgesetzt, wobei die Kontaktierungsstrukturen 12 mit ihren Enden und dem Zusatzwerkstoff 13 auf der Oberseite 19 des Bauelements 17 und der Montageseite 15 des Substrats 14 zu liegen kommen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Enden der Kontaktierungsstruktur 12 jeweils auf unterschiedlichen Niveaus liegen, die in 3 als erster Fügelevel 20, vorgegeben durch die Montageseite 15 des Substrats 14 und als zweiter Fügelevel 20, vorgegeben durch die Oberseite 19 des Bauelements 17, gekennzeichnet sind. Ein dritter Fügelevel 22 wird durch die Unterseite 16 des Substrats 14 zur Verfügung gestellt. Dieser dient zur Befestigung einer Grundplatte 23, die als Kühlkörper ausgeführt ist und als Bauteil über den Zusatzwerkstoff 13 mit der Unterseite 16 des Substrats 14 thermisch leitend verbunden wird. In der Grundplatte 23 können zum Zwecke der Kühlung beispielsweise Kühlkanäle 24 vorgesehen werden.
  • Die Baugruppe gemäß 3 ist nun vormontiert. Das heißt, dass die einzelnen Komponenten (Grundplatte 23, Substrat 14, Bauelement 17, Kontaktierungsstruktur 12) in der zu erzeugenden Konfiguration zueinander platziert wurden. Der Zusatzstoff 13 sorgt dafür, dass diese Konfiguration für Handhabungszwecke im weiteren Fertigungsverfahren bereits eine genügende Stabilität aufweist. Zu diesem Zwecke können außerdem nicht näher dargestellte Fügehilfen vorhanden sein. Diese können beispielsweise aus externen Werkzeugen, wie beispielsweise Klammern, bestehen. Auch ist es möglich, in die einzelnen Bauteile Fügehilfen, wie beispielsweise Clipverbindungen, zu integrieren. Die Halterung der einzelnen Komponenten der Baugruppe mittels dieser Fügehilfen ist nur vorläufig bis zur endgültigen Montage der Baugruppe.
  • Diese endgültige Montage ist in 4 dargestellt. Die Baugruppe, bei der überflüssige Teile des Leadframes 11 bereits entfernt wurden, wird gemäß 4 in ein geeignetes Werkzeug eingelegt. Dieses besteht aus Fügewerkzeugen 25, welche von unten und von oben an die fertigzustellende Baugruppe herangeführt werden. Die Fügewerkzeuge 25 verfügen über Auflageflächen 26, mit denen eine Druckkraft P auf die zu fügenden Bauteile ausgeübt werden kann. Außerdem ist in den Fügewerkzeugen eine nicht näher dargestellte Heizung vorgesehen, mit denen die Fügewerkzeuge auf die Temperatur T gebracht werden können. Hierbei handelt es sich um die technische Einrichtung, die die erforderliche Fügetemperatur für Fügeverbindungen 27 erzeugt, beispielsweise eine elektrische Widerstandsheizung. Zusammen mit der erforderlichen Druckkraft P wird der Zusatzwerkstoff 13 gemäß 3 in die Fügeverbindungen 27 umgewandelt, so dass die Baugruppe auf diese Weise bleibend montiert wird. Anschließend können die Fügewerkzeuge 25 wieder abgenommen werden (nicht näher dargestellt). Auch eine Verbindung 28 zwischen dem Bauteil (Grundplatte 23) und dem Substrat 14 wird im Zuge der Fertigstellung der Baugruppe erzeugt.
  • In 5 ist eine ähnliche Baugruppe wie in 4 dargestellt. Diese kann auch auf demselben Wege mit zwei nicht näher dargestellten Fügewerkzeugen fertiggestellt werden. Anstelle der Kontaktierungsstrukturen 12 gemäß 4, die Teil eines Leadframes 11 gemäß 1 sind, sind die Kontaktierungsstrukturen gemäß 5 nicht näher dargestellt, sondern als Metallisierung auf einer Flexfolie 29 realisiert. Ansonsten ist die Kontaktierung über die einzelnen Fügeverbindungen 27 in analoger Weise realisiert. Zusätzlich ist in 5 auf der Grundplatte 23 noch eine weitere elektrische Baugruppe 30 vorgesehen, die ebenfalls über die Flexfolie 29 elektrisch kontaktiert ist. Hierdurch ist eine Kontaktierung verschiedener Baugruppen möglich, wobei diese zunächst unabhängig voneinander hergestellt werden können und in dem letzten Prozessschritt über eine gemeinsame Flexfolie miteinander verbunden werden können. Auch die Grundplatte dient zur Aufnahme beider genannten Baugruppen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10062108 A1 [0002]
    • DE 102007047698 A1 [0003]
    • US 2013/0201631 A1 [0004]
    • US 2012/0106109 A1 [0005]
    • DE 102009016112 A1 [0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelementes (17) auf einem Substrat (14) wobei – das Bauelement eine dem Substrat (14) zugewandte Unterseite (18) und eine dieser gegenüberliegende Oberseite (19) aufweist, – die Unterseite (18) des Bauelementes (17) mit dem Substrat (14) mechanisch verbunden wird, – eine Kontaktierungsstruktur (12) mit der Oberseite (19) des Bauelementes (17), und mit einer Montageseite (15) des Substrates (14) mechanisch verbunden wird, wobei Fügeverbindungen, die beim Fügen entstehen, in mindestens zwei unterschiedlichen Fügeleveln (20, 21) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (14), das Bauelement (17) und die Kontaktierungsstruktur (12) in der zu erzeugenden Konfiguration zueinander platziert werden, bevor – die Fügeverbindungen (27) am Bauelement (17) innerhalb der mindestens zwei Fügelevel (20, 21) in ein und demselben Arbeitsgang durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperatur- und Druckerhöhung fertiggestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Unterseite (18) des Bauelementes (17) innerhalb eines ersten Fügelevels (20) liegt, der durch eine Montageseite (15) des Substates (14) zur Verfügung gestellt wird, und – die Oberseite (19) des Bauelementes (17) innerhalb eines zweiten Fügelevels (21) liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (14) mit seiner der Montageseite (15) abgekehrten Rückseite (16) eine Kontaktfläche zur Verfügung stellt, mit der ein dritter Fügelevel (22) zur Verfügung gestellt wird, innerhalb dessen ein Bauteil (23) platziert wird, bevor – eine Verbindung (28) zwischen dem Bauteil (23) und dem Substrat (14) in demjenigen Arbeitsgang durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperatur- und Druckerhöhung fertig gestellt wird, in dem auch die Fügeverbindungen (27) am Bauelement (17) in dem ersten Fügelevel (20) und in dem zweiten Fügelevel (21) fertiggestellt werden.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Fügeverbindungen (27) mit ein und demselben Fügeverfahren fertiggestellt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Fügeverbindungen (27) und auch die Verbindung (28) zwischen dem Bauteil (23) und dem Substrat (14) mit ein und demselben Fügeverfahren fertiggestellt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügeverfahren ein Diffusionslöten oder ein Sintern zum Einsatz kommt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Platzieren in der zu erzeugenden Konfiguration auf das Substrat (14) und/oder das Bauelement (17) und/oder die Kontaktierungsstruktur (12) und/oder das Bauteil (23) ein Zusatzwerkstoff (13) aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsstruktur (12) durch einen Leadframe (11) oder eine Flexfolie (29) zur Verfügung gestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsstruktur (12) mit einer elektrischen Baugruppe (30) elektrisch kontaktiert wird, die dem Substrat (14) benachbart angeordnet wird.
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