AT521456B1 - Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen sowie Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen (2, 4), welche auf einem elektrisch nicht-leitfähigen ersten Substrat (1) angeordnet sind, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Induktors (6) mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Induktorelementen (30), wobei jedes Induktorelement mindestens einen ersten Verbindungsabschnitt (31) und mindestens zwei Schenkel (32) aufweist, wobei der erste Verbindungsabschnitt (31) die beiden Schenkel (32) des Induktorelements (30) miteinander verbindet, und wobei die Induktorelemente (30) miteinander durch zweite Verbindungsabschnitte (33) in Serie verbunden sind, - Anordnen des ersten Induktors (6) oberhalb oder unterhalb des ersten Substrats (1), derart, dass o jedes Induktorelement (30) jeweils zumindest bereichsweise mit einem Rand (5) mindestens einer elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) überlappt und/oder o jedes Induktorelement zumindest bereichsweise parallel zu dem Rand (5) der elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) verläuft, - Beaufschlagen des ersten Induktors (6) mit einem Wechselstrom oder Anlegen einer Wechselspannung an den ersten Induktor (6) und - Induzieren von Wirbelströmen in den elektrisch leitfähigen Strukturen (2, 4).

Description

Beschreibung

[0001] Viele neuartige Produkte in der Mikrosystemtechnik stellen für aktuelle Bond- bzw. Fügeverfahren eine große technologische Herausforderung dar.

[0002] Die heutige Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) zielt auf immer kleiner und komplexer werdende Bauteile und Mikrosysteme ab. Die Bezeichnung „mikro" heißt im Sinne der von vorliegenden Schrift, dass es mindestens eine Ausdehnung des entsprechenden Bauteils oder Mikrosystems gibt, die zwischen 0,1 um und 10 mm, typischerweise zwischen 1 um und 1 mm groß ist. Dabei ist es das Ziel, die thermische und mechanische Beeinflussung des Bauteils während des Fügeprozesses möglichst gering zu halten, um empfindliche Elemente nicht zu beschädigen. Folglich sollten Fügedruck und Temperatureintrag homogen in die Fügekomponenten verteilt werden. Weiterhin stellen einige Fügeprozesse hohe Anforderungen an die Oberflächengüten der Fügepartner. Die Fügeverbindung soll Bauelemente mit hohen mechanischen Festigkeiten hermetisch dicht verschließen. Weitere wichtige Anforderungen sind die Integrationsdichte, die Materialvielfalt, die Zugänglichkeit der Fügestellen (z. B. 3D-Integration), sowie Prozess- und Taktzeiten.

[0003] Etablierte, zu hermetisch dichten Verbindungen führende Fügeverfahren bzw. Waferbondverfahren, in der Mikrosystemtechnik wie das anodische Bonden, das NiedertemperaturSilizium-Direktbonden, das Glasfritte-Bonden oder das eutektische Bonden verbinden zwar ZzUuverlässig, Jedoch herrschen hier über einen längeren Zeitraum Temperaturen von bis zu 400°C vor. Die Temperaturen wirken über Heizchucks mit integrierten Heizleitern global in den kompletten Fügeaufbau (Substrate, Funktionselemente und -schichten, Kontaktierungen, Fügeschicht) ein. Die Heizleiter werden mit einem Strom durchflossen und deren Joulsche Erwärmung wird über Wärmeleitung zuerst in die Oberfläche des Heizchucks und nachfolgend in den Fügeaufbau übertragen. Diese hohen und relativ lang einwirkenden Temperaturen können empfindliche Bauteile oder Werkstoffe schädigen. Des Weiteren ist es aufgrund der Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten kompliziert, verschiedene Substrate, wie Silizium, Metalle, Keramiken oder Polymere großflächig dicht zu verbinden.

[0004] Andererseits wird es zunehmend schwieriger, komplexe Produkte und deren Gehäuse automatisiert, zuverlässig und dicht zu verbinden. Neben temperaturempfindlichen Sensoren kommt es immer wieder zu abgeschatteten Fügestellen, die mit Schweiß- und Lötwerkzeugen nicht ohne weiteres erreichbar sind.

[0005] Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren verstärkt an Technologien geforscht, die einen selektiven Energieeintrag nur an der benötigten Fügestelle auf Quadratmikrometer großen Flächen ermöglichen.

[0006] So wurden Verfahren entwickelt, welche eine lokale Energiequelle nutzen, die es ermöglicht, die Energie direkt an der Verbindung einwirken zu lassen. Beispielsweise werden reaktive Pulver eingesetzt, die eine selbstausbreitende Reaktion erzeugen, welche jedoch schwer kontrollier- und steuerbar ist. Zudem finden sich im Stand der Technik reaktive Mehrschichtsysteme, die aus einer Vielzahl dünner, alternierender Schichten bestehen, die durch ihre Reaktionseigenschaften eine Kontrolle der sehr hohen aber kurzzeitig freiwerdenden thermischen Energie ermöglichen. In derartigen Verfahren ist die Präparation aufwändig und die Strukturierung kompliziert, wodurch solche Verfahren relativ komplex und teuer sein können. Beispielsweise offenbart die DE 10 2009 006 822 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur mit wenigstens einem Bondsubstrat und einem reaktiven Mehrschichtsystem.

[0007] Die Dokumente US 7 064 004 B2 und US 7 332 411 B2 beschreiben das Verbinden von Substraten mittels metallischer Lotkügelchen oder metallischer Rahmenstrukturen, wobei im verwendeten Metall durch Erzeugen eines zeitlich verändernden elektromagnetischen Feldes mittels einer Spule Wirbelströme erzeugt werden (Induktion) und die Temperatur des Metalls durch Joulesche Wärme steigt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass mit den dort beschriebenen Verfahren die Erwärmung des Metalls nicht hinreichend homogen ist, wodurch lokale Überhitzun-

gen entstehen können.

[0008] In der Veröffentlichung DE 10 2006 034 600 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung beschrieben. Es werden zwei Lötpartner bereitgestellt, die an einer vorgegebenen Fügestelle miteinander zu verbinden sind. Weiter werden eine metallische Zwischenplatte und eine Lötvorrichtung mit einem Induktor bereitgestellt. Durch den Induktor werden in der Zwischenplatte Wirbelströme erzeugt, infolge derer sich die Zwischenplatte erhitzt, so dass das mit diesem in thermischem Kontakt stehende Lot aufschmilzt. Die Aufheizung des Lotes und der Lötpartner erfolgt also nicht unmittelbar durch den Induktor, sondern mittelbar über die vom Induktor erhitzte Zwischenplatte. Folglich wird der Wärmeeintrag in das Lot durch die genannte Zwischenplatte über Wärmeleitung realisiert.

[0009] Aus der US 6 288 376 B1 geht ein Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Strukturen mit einem Induktor der gegenständlichen Art hervor.

[0010] Die DD 261 693 A1 oder US 6 229 124 B1 zeigen ebenfalls Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Strukturen mit einem Induktor, wobei die Induktorelemente des Induktors verschiedenartig in Bezug auf die elektrisch leitfähigen Strukturen angeordnet sind.

[0011] Die Erfindung zielt darauf ab, mindestens eines oder mehrere Probleme des Standes der Technik zu überwinden. Dieses Ziel wird durch ein Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung zur Verwendung in dem genannten Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Weiterbildungen werden durch die nachfolgende Beschreibung und die abhängigen Ansprüche näher beschrieben.

[0012] Das Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen, welche auf einem elektrisch nicht-leitfähigen ersten Substrat angeordnet sind, umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen eines ersten Induktors mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Induktorelementen, wobei jedes Induktorelement mindestens einen ersten Verbindungsabschnitt und mindestens zwei Schenkel aufweist, wobei der erste Verbindungsabschnitt die beiden Schenkel des Induktorelements miteinander verbindet, und wobei die Induktorelemente miteinander durch zweite Verbindungsabschnitte in Serie verbunden sind,

Anordnen des ersten Induktors oberhalb oder unterhalb des ersten Substrats, derart, dass

jedes Induktorelement jeweils zumindest bereichsweise mit einem Rand mindestens einer elektrisch leitfähigen Struktur überlappt und/oder

jedes Induktorelement zumindest bereichsweise parallel zu dem Rand der elektrisch leitfähigen Struktur verläuft,

Beaufschlagen des ersten Induktors mit einem Wechselstrom und/oder Anlegen einer Wechselspannung an den ersten Induktor und

Induzieren von Wirbelströmen in den elektrisch leitfähigen Strukturen.

[0013] Die Erfinder haben erkannt, dass eine Anpassung der Induktorform an die Geometrie der elektrisch leitfähigen Strukturen sowie eine entsprechende Anordnung des Induktors oberhalb und/oder unterhalb des Substrats im Einklang mit der Geometrie der elektrisch leitfähigen Strukturen eine besonders homogene Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen ermöglicht.

[0014] Zusätzlich kann eine weitere Homogenisierung der Temperatur durch eine partielle Anhebung der Induktorelemente in z-Richtung, d.h. senkrecht zu dem Substrat, und/oder durch den partiellen Einsatz von feldführenden Elementen über den Induktorelementen erreicht werden.

[0015] Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können die elektrisch leitenden Strukturen homogen erwärmt werden. Durch die homogene Erwärmung der elektrisch leitenden Strukturen können wiederum lokale Temperaturspitzen verringert werden, wodurch insbesondere eine Beschädigung von temperaturempfindlichen Bauelementen vermieden werden kann. Das beschriebene Verfahren kann vorzugsweise mit der unten beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden.

[0016] Durch Anlegen einer Wechselspannung bzw. Beaufschlagen mit einem Wechselstrom erzeugt der Induktor typischerweise elektromagnetische Wechselfelder, die Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Strukturen generieren. Die in den elektrisch leitfähigen Strukturen induzierten Wirbelströme sorgen wiederum für einen Temperaturanstieg in den elektrisch leitfähigen Strukturen. Die in den leitfähigen Strukturen induzierten Wirbelströme können insbesondere unmittelbar und/oder primär durch das vom Induktor erzeugte magnetische Feld induziert werden.

[0017] Durch die Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen kann eine stoffschlüssige Verbindung der elektrisch leitfähigen Strukturen mit dem ersten Substrat und/oder weiteren Komponenten (s. unten) gebildet werden. Die stoffschlüssige Verbindung kann z. B. durch Löten, Schweißen, Sintern und/oder Diffusion des Materials der elektrisch leitfähigen Strukturen in das erste Substrat bzw. die jeweiligen weiteren Komponenten erfolgen. In einer Variante werden die elektrisch leitfähigen Strukturen zumindest teilweise durch die in den elektrisch leitfähigen Strukturen induzierten Wirbelströme aufgeschmolzen. In der Regel werden die elektrisch leitfähigen Strukturen ausschließlich oder zumindest primär durch die in den elektrisch leitfähigen Strukturen induzierten Wirbelströme erwärmt.

[0018] In einer Variante des Verfahrens sind zwischen dem Induktor und den elektrisch leitfähigen Strukturen lediglich elektrisch nicht-leitfähige Elemente angeordnet. Beispielsweise sind zwischen dem Induktor und den elektrisch leitfähigen Strukturen keine elektrisch leitfähigen Elemente angeordnet. Somit werden die elektrisch leitfähigen Strukturen nicht abgeschirmt, wodurch die Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen effektiver ist.

[0019] Die Begriffe „elektrisch leitfähig" und „elektrisch nicht-leitähig" im Sinne vorliegenden Schrift bedeuten, dass das erste Substrat eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die mindestens fünfzigmal oder hundertmal oder tausendmal kleiner ist, als die elektrische Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Strukturen. Die Leitfähigkeit des ersten Substrats sollte weniger als 2*10* S/m (entspricht der Leitfähigkeit von hochdotiertem Silizium) betragen, z. B. weniger als 100 S/m oder weniger als 10 S/m oder weniger als 1 S/m, damit im ersten Substrat keine oder lediglich wenige Wirbelströme induziert werden.

[0020] Das Material des ersten Substrats kann z. B. Silizium, Glas, Keramik, FR4 umfassen. FR4 bezeichnet eine Klasse von schwer entflammbaren und flammenhemmenden Verbundwerkstoffen umfassend oder bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe. Das erste Substrat kann aus einem Halbleitermaterial gefertigt sein. Das Halbleitermaterial sollte niedrigdotiert sein, damit die Leitfähigkeit des ersten Substrats gering bleibt, d.h. deutlich kleiner als die elektrische Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Strukturen.

[0021] Die elektrisch leitfähigen Strukturen können insbesondere metallisch sein. Als Metalle kommen z. B. Aluminium, Silber, Kupfer, Gold, Zinn, Nickel, oder eine Legierung aus mindestens einem dieser Metalle in Frage. Weiterhin kommen Materialien, die für Lotverbindungen (z. B. Zinn-Silber) eingesetzt werden, in Frage. Die elektrisch leitfähigen Strukturen berühren üblicherweise das erste Substrat und sind somit unmittelbar auf dem ersten Substrat angeordnet.

[0022] In einer Weiterbildung verläuft jedes Induktorelement im Bereich der Überlappung mit der elektrisch leitfähigen Struktur parallel zu dem Rand der elektrisch leitfähigen Struktur. Dies trägt weiter zu einer homogenen Erwärmung der elektrisch leitfähigen Struktur bei.

[0023] Der Rand der Struktur kann als äußere Begrenzung der Struktur aufgefasst werden. Eine Dimension des Randes der elektrisch leitfähigen Struktur, beispielsweise eine Stegbreite, kann in einer Raumrichtung bis zu 50% oder 40% oder 30% oder 20% oder 10% der der Dimension der Struktur in dieser Raumrichtung umfassen. Beispielsweise umfassen eine Dimension eines linksseitigen Randes und/oder eine Dimension eines rechtsseitigen Randes der Struktur jeweils höchstens 50%, oder 40% oder 30% oder 20% oder 10% der Dimension der Struktur in der gewählten Raumrichtung.

[0024] In einer Ausgestaltung umfasst der erste Induktor eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von nebeneinander angeordneten Induktorelementen. Die erste Gruppe und die zweite Gruppe können parallel zueinander geschaltet sein.

[0025] In einer Ausgestaltung umfasst der erste Induktor eine erste Gruppe. Darüber hinaus existiert eine Anzahl n weiterer Gruppen von nebeneinander angeordneten Induktorelementen. Die Anzahl n kann hierbei eine positive, ganze Zahl größer oder gleich eins sein. Die erste Gruppe und die weitere(n) Gruppe(n) können parallel zueinander geschaltet sein.

[0026] Die Induktorelemente können zusammen eine Leiterschleife bilden. Die Leiterschleife umgibt einen Innenbereich der Leiterschleife, wobei ein Außenbereich der Leiterschleife außerhalb der Leiterschleife liegt. Vorzugsweise wird der erste Induktor derart angeordnet, dass sämtliche zu erwärmenden elektrisch leitfähigen Strukturen innerhalb einer Projektion des Innenbereichs auf das Substrat oder innerhalb einer Projektion des Außenbereichs auf das Substrat liegen. Mittels dieser Ausbildung des Verfahrens kann ein Homogenisierungsgrad der Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen gesteigert werden.

[0027] Typischerweise sind Feldstärke und Flussdichte des durch den ersten Induktor induzierten elektromagnetischen Feldes im Innenbereich der Leiterschleife größer als im Außenbereich der Leiterschleife. Für eine effektive Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen ist es somit vorteilhaft, wenn die zu erwärmenden elektrisch leitfähigen Strukturen innerhalb der Projektion des Innenbereichs auf das Substrat liegen.

[0028] In der Regel kann eine Anzahl der elektrisch leitfähigen Strukturen auf dem ersten Substrat mindestens 10, 20, 50, 100, 200, 500 oder sogar mehr als 1000 sein. Die elektrisch leitfähigen Strukturen sind üblicherweise in regelmäßigen Abständen auf dem ersten Substrat angeordnet.

[0029] Der Rand der elektrisch leitfähigen Strukturen kann z. B. jeweils kreisförmig, rechteckig oder quaderförmig sein. Weiter können die elektrisch leitfähigen Strukturen je nach Anwendung ringförmig, rahmenförmig, plattenförmig oder scheibenförmig sein.

[0030] Es kann vorgesehen sein, dass jede elektrisch leitfähige Struktur eine Vielzahl, z. B. 2, 3, 4, 5, oder 6 von miteinander verbundenen Stegen umfasst. Die Stege können rahmenförmig angeordnet sein. Die Stege können jeweils einen geraden oder gebogenen Verlauf aufweisen. Der genannte Rand kann durch die Stege gebildet sein.

[0031] Zur Verbesserung der Erzeugung der Wirbelströme und damit der Erwärmung können die elektrisch leitfähigen Strukturen miteinander über elektrisch leitfähigen Verbindungsbrücken verbunden werden oder sein. Die elektrisch leitfähigen Verbindungsbrücken können z. B. auf dem ersten Substrat angeordnet sein.

[0032] Die elektrisch leitfähigen Strukturen können jeweils eine geschlossene Leiterschleife bilden. Die durch den ersten Induktor induzierten Wirbelströme können sich in einer derartigen Leiterschleife besonders gut herausbilden. Außerdem kann eine derartige geschlossene Leiterschleife für eine Verkapselung einer zu verkapselnden Struktur verwendet werden (s. unten). Die geschlossene Leiterschleife kann z. B. rahmenförmig oder ringförmig sein (s. oben). Der genannte Rand kann durch die geschlossene Leiterschleife gebildet sein.

[0033] Auf dem ersten Substrat können Funktionselemente oder Mikrosysteme angeordnet sein, welche in ihren lateralen Abmessungen kleiner sind, als die zu erwärmenden elektrisch leitfähigen Strukturen. Z. B. können die Funktionselemente Abmessungen aufweisen, die höchstens 50%, 40%, 30%, 20% oder 10% einer seitlichen oder lateralen Ausdehnung der elektrisch leitfähigen Strukturen betragen.

[0034] Eine Windungsbreite umfasst typischerweise zwei Schenkelbreiten und einen Schenkelabstand von zwei benachbarten Schenkeln eines Induktorelements. Die Windungsbreite kann höchstens so groß sein, wie die Summe aus zwei seitlichen Ausdehnungen der elektrisch leitfähigen Strukturen und einem seitlichen / lateralen Abstand der elektrisch leitfähigen Strukturen. Die Funktionselemente oder Mikrosysteme können z. B. innerhalb der geschlossenen Leiterschleife auf dem ersten Substrat angeordnet sein. In ihren lateralen Abmessungen sind die Funktionselemente oder Mikrosysteme üblicherweise kleiner als die Windungsbreite der Induktorelemente. Ublicherweise haben die Funktionselemente Abmessungen, die höchstens 50%, 40%,

30%, 20% oder 10% einer Breite der geschlossenen Leiterschleife betragen.

[0035] In einer Ausbildung ist eine Schenkelbreite (Breite eines Schenkels) höchstens so groß wie eine Ausdehnung der elektrisch leitfähigen Strukturen in einer Raumrichtung, z. B. in seitlicher Richtung. Beispielsweise korrespondiert eine Schenkelbreite mit einer Breite der Stege der elektrisch leitfähigen Struktur.

[0036] Die Frequenz des Wechselstroms und/oder der Wechselspannung sollten so gewählt werden, dass Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Strukturen erzeugt werden, wodurch Wärme erzeugt wird. Hierbei gilt, dass wenn die Abmessungen der zu erwärmenden Strukturen reduziert werden, immer höhere Frequenzen vorteilhaft sind, um eine effektive Erwärmung der Strukturen zu gewährleisten.

[0037] Je nach Abmessung der elektrisch leitfähigen Strukturen können der Wechselstrom bzw. die Wechselspannung z. B. eine Frequenz von mindestens 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz oder 1000 kHz aufweisen. Weiterhin können die Frequenz des Wechselstroms bzw. die Frequenz der Wechselspannung höchstens 15 GHz, 1 GHz, 500 MHz, 200 MHz, 100 MHz, 50 MHz, 20 MHz oder 10 MHz betragen.

[0038] Die Stromstärke im Induktor kann z. B. größer als 10 A, 20 A, 50 A oder 100 A sein. Außerdem kann die Stromstärke z. B. kleiner als 1000 A, 750 A, 500 A oder 200 A sein. Die an den ersten Induktor angelegte Spannung kann z. B. größer als 10 V, 20 V, 50 V, 100 V, 150 V, 200 V oder 300 V sein. Zudem kann die Spannung kleiner als 1500 V, 1000 V, 800 V oder 600 V sein.

[0039] Die Dauer der Bestromung des ersten Induktors kann mindestens 0,01 s, 0,1 s, 0,5 s oder 1 s betragen. Eine maximale Dauer der Bestromung des ersten Induktors kann höchstens 60 s, 45 s, 30 s oder 15 s betragen. In manchen Ausführungsformen beträgt die Dauer der Bestromung 30 bis 60 Minuten.

[0040] Die Induktorelemente können durch Hohlrohre gebildet sein, wodurch ein Kühlfluid, wie z. B. Wasser, fließt. Das Kühlfluid kann die Induktorelemente von innen kühlen. Die Induktorelemente können aber auch von dem Kühlmedium von außen umflossen oder passiv durch Wärmeleitung gekühlt werden.

[0041] Es kann vorgesehen sein, dass der erste Induktor an eine Energiequelle angeschlossen ist, welche als Wechselstromquelle und/oder Wechselspannungsquelle arbeitet.

[0042] Üblicherweise wird der erste Induktor derart angeordnet, dass die Induktorelemente sich jeweils entlang einer kompletten Längsrichtung mindestens einer elektrisch leitfähigen Struktur erstrecken. Mit anderen Worten kann das jeweilige Induktorelement entlang der kompletten Länge der elektrisch leitfähigen Struktur verlaufen. Hierdurch lässt sich die Erwärmung der Strukturen homogener und effektiver gestalten.

[0043] Da die Form des Induktors und die Anordnung des Induktors in Bezug auf das Substrat an die Geometrie der elektrisch leitfähigen Strukturen angepasst sind, sollte sich der Induktor in Bezug auf das Substrat während des Beaufschlagens des ersten Induktors mit einem Wechselstrom und/oder des Anlegens einer Wechselspannung an den Induktor nicht bewegen.

[0044] Das Verfahren kann zusätzlich den folgenden Schritt aufweisen: Bereitstellen eines zweiten Substrats.

[0045] Das erste Substrat und das zweite Substrat können identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise kann das zweite Substrat mit oder ohne elektrisch leitfähige Strukturen versehen sein. Das erste Substrat und/ oder das zweite Substrat können z. B. als Wafer oder als Chip ausgebildet sein. In dem Fall, dass beide Substrate Wafer sind, umfasst das Verfahren vorzugsweise den Schritt des Waferbondens. In dem Fall, dass mindestens ein Substrat ein Chip ist, umfasst das Verfahren vorzugsweise den Schritt des Chipbondens. Das erste Substrat und/oder das zweite Substrat können überwiegend, z. B. mindestens 80%, oder komplett aus Silizium, Glas, Keramik, Kunststoffen, FR4 oder dergleichen gefertigt sein. Für die Merkmale des zweiten

Substrats kann auf die obige Beschreibung der Merkmale des ersten Substrats verwiesen werden.

[0046] Das Verfahren kann zusätzlich den folgenden Schritt aufweisen:

vor dem Schritt des Anordnens des Induktors oberhalb oder unterhalb des ersten Substrats: Ausrichten des zweiten Substrats in Bezug auf das erste Substrat. Beispielsweise können die elektrisch leitfähigen Strukturen des ersten Substrats und des zweiten Substrats miteinander in Kontakt gebracht werden. Das zweite Substrat kann derart angeordnet werden, dass das zweite Substrat die elektrisch leitfähigen Strukturen des ersten Substrats berührt. Nach dem Schritt des Ausrichtens können das erste Substrat und das zweite Substrat aneinander befestigt, gepresst oder geklammert werden, z. B. mittels Klemmen oder Klammern (Clamps).

[0047] Anschließend kann der erste Induktor wie oben beschrieben angeordnet werden. Durch die Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen kann eine stoffschlüssige Verbindung des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat mittels der elektrisch leitfähigen Strukturen erfolgen. Die stoffschlüssige Verbindung kann z. B. durch Löten, Schweißen, Sintern und/oder Diffusion des Materials der elektrisch leitfähigen Strukturen in das zweite Substrat erfolgen. Die elektrisch leitfähigen Strukturen werden insbesondere zumindest teilweise durch die in den elektrisch leitfähigen Strukturen induzierten Wirbelströme geschmolzen, wodurch das zweite Substrat mit dem ersten Substrat verbunden werden kann.

[0048] Mindestens ein zu verkapselndes Mikrosystem kann durch mindestens eine elektrisch leitfähige Struktur, das erste Substrat und das zweite Substrat verkapselt werden. Typischerweise wird das Mikrosystem hermetisch, z. B. luftdicht oder wasserdicht, verkapselt. Die zu verkapselnden Mikrosysteme können z. B. integrierte Schaltkreise (IC), mikro-elektromechanische Systeme (MEMS), mikro-opto-elektromechanische Systeme (MOEMS), Mikroprozessoren oder Mikrocontroller sein.

[0049] Das Verfahren kann weitere Schritte aufweisen:

Anordnen eines zweiten Induktors unterhalb oder oberhalb des ersten Substrats, wobei der zweite Induktor in Bezug auf den ersten Induktor auf der gegenüberliegenden Seite vom ersten Substrat angeordnet wird, und der zweite Induktor in Bezug auf den ersten Induktor parallel oder um 90° oder 180° gedreht ausgerichtet wird.

[0050] Das Verfahren kann weitere Schritte aufweisen:

Anordnen eines zweiten Induktors unterhalb oder oberhalb des zweiten Substrats, wobei der zweite Induktor in Bezug auf den ersten Induktor auf der gegenüberliegenden Seite vom zweiten Substrat angeordnet wird, und der zweite Induktor in Bezug auf den ersten Induktor parallel oder um 90° oder 180° gedreht ausgerichtet wird.

[0051] Der erste Induktor und der zweite Induktor können unterschiedlich oder identisch ausgebildet sein. Für die Merkmale des zweiten Induktors wird auf die obige und untere Beschreibung des ersten Induktors verwiesen.

[0052] Die für die beiden Induktoren verwendeten Spannungen und Ströme sollten aufeinander abgestimmt bzw. miteinander synchronisiert sein.

[0053] Weiter wird eine Vorrichtung zur Verwendung in dem oben genannten Verfahren vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist zumindest einen ersten Induktor auf. Der erste Induktor umfasst eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Induktorelementen, wobei jedes Induktorelement mindestens einen ersten Verbindungsabschnitt und mindestens zwei Schenkel aufweist. Der erste Verbindungsabschnitt verbindet die beiden Schenkel des Induktorelements miteinander. Außerdem sind die Induktorelemente miteinander durch zweite Verbindungsabschnitte in Serie verbunden.

[0054] In einer Ausführungsform sind die Induktorelemente mäanderförmig angeordnet. Der erste Induktor kann also eine Mäanderform aufweisen.

[0055] Die Schenkel können in einer Ebene angeordnet sein. Die Schenkel verlaufen üblicher

weise im Wesentlichen in einer Längsrichtung. Eine seitliche Richtung ist hierbei senkrecht zur Längsrichtung. Es kann vorgesehen sein, dass benachbarte Schenkel von benachbarten Induktorelementen und/oder benachbarte Schenkel eines Induktorelements in Längsrichtung im Wesentlichen parallel zueinander sind. Beispielsweise sind die Längsrichtungen der Schenkel jedes Induktorelements im Wesentlichen parallel zueinander.

[0056] In der Regel schließt eine Projektion der Schenkel jedes Induktorelements auf das Substrat in seitlicher Richtung höchstens zwei zu erwärmende, elektrisch leitfähige Strukturen ein, vorzugsweise eine zu erwärmende elektrisch leitfähige Struktur. Beispielsweise schließt eine Projektion der Schenkel jedes Induktorelements auf das Substrat in seitlicher Richtung höchstens zwei Reihen zu erwärmender, elektrisch leitfähiger Strukturen ein, vorzugsweise eine Reihe. Falls das Induktorelement mehr als zwei Schenkel aufweist, schließt eine Projektion der äußeren Schenkel des Induktorelements auf das Substrat z. B. in seitlicher Richtung höchstens zwei zu erwärmende, elektrisch leitfähige Strukturen ein, vorzugsweise eine zu erwärmende elektrisch leitfähige Struktur. Falls das Induktorelement mehr als zwei Schenkel aufweist, schließt eine Projektion der äußeren Schenkel des Induktorelements auf das Substrat z. B. in seitlicher Richtung höchstens zwei Reihen zu erwärmender, elektrisch leitfähiger Strukturen ein, vorzugsweise eine Reihe zu erwärmender elektrisch leitfähiger Strukturen. Eine Reihe zu erwärmender elektrisch leitfähiger Strukturen umfasst typischerweise eine Anordnung von mindestens zwei elektrisch leitfähigen Strukturen, welche entlang einer Linie, wie z. B. einer Raumrichtung, ausgerichtet sind, z. B. in Längsrichtung, Querrichtung, x-Richtung oder in y-Richtung.

[0057] Eine Schenkelbreite kann kleiner als eine Ausdehnung einer zu erwärmenden, elektrisch leitfähigen Struktur in einer Raumrichtung, z. B. in seitlicher Richtung, sein. Je nach Ausführung der zu erwärmenden Strukturen kann die Schenkelbreite wahlweise in Längsrichtung des Schenkels konstant oder variabel sein.

[0058] In einer Ausführungsform definiert ein Schenkelabstand einen maximalen Abstand in seitlicher Richtung zwischen den beiden Schenkeln eines Induktorelements. Der Schenkelabstand zwischen zwei benachbarten Schenkeln kann konstant sein. Der Schenkelabstand kann in jedem Induktorelement konstant sein. Weiter kann der Schenkelabstand in jedem Induktorelement gleich sein. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass es mindestens zwei Induktorelemente gibt, die einen unterschiedlichen Schenkelabstand aufweisen. Der Schenkelabstand innerhalb eines Induktorelements kann größer sein als der Schenkelabstand zwischen zwei benachbarten Induktorelementen.

[0059] Der erste Verbindungsabschnitt und/oder der zweite Verbindungsabschnitt können als bogenförmige Abschnitte, z. B. kreisbogenförmige oder gerade Abschnitte, ausgebildet sein. Bei der verwendeten Hochspannung können hierdurch Spannungsüberschläge vermieden werden.

[0060] Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Induktorelement mehr als zwei Schenkel aufweist, die mittels mehrerer erster Verbindungsabschnitte miteinander in Serie verbunden sind, wobei die Anzahl der Schenkel des Induktorelements eine gerade Anzahl 2n ist, und die Anzahl der ersten Verbindungsabschnitte 2n-1 ist.

[0061] Typischerweise sind die Schenkel in Längsrichtung im Wesentlichen gerade ausgebildet. Ein Schenkelquerschnitt kann rund, oval, quadratisch oder rechteckig sein.

[0062] Die Vorrichtung kann eine elektrische Energiequelle umfassen. Weiter kann die Vorrichtung eine Wechselstromquelle zum Beaufschlagen des ersten Induktors mit einem Wechselstrom oder eine Wechselspannungsquelle zum Anlegen einer Wechselspannung an den ersten Induktor aufweisen. Die Wechselstromquelle oder die Wechselspannungsquelle können derart ausgebildet sein, dass der Wechselstrom bzw. die Wechselspannung eine Frequenz von mindestens 100 kHz und/oder höchstens 15 GHz besitzen. Die Frequenz des Wechselstroms bzw. der Wechselspannung kann hierbei konstant sein oder variieren. Der erste Induktor, und falls vorgesehen, weitere Induktoren, kann oder können mittels Zuleitungen mit der Wechselstromquelle bzw. der Wechselspannungsquelle verbunden sein.

[0063] Die Vorrichtung kann einen zweiten Induktor aufweisen, welcher parallel oder in einem

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Winkel von 90° oder 180° zu dem ersten Induktor ausgerichtet ist. Der zweite Induktor und der erste Induktor können wahlweise identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. Für die Merkmale des zweiten Induktors wird auf die obige Beschreibung des ersten Induktors verwiesen. Der zweite Induktor kann mit der genannten elektrischen Energiequelle verbunden sein. Es kann alternativ auch eine zweite elektrische Energiequelle für den zweiten Induktor vorhanden sein.

[0064] Üblicherweise ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, welche die elektrische Energiequelle oder die elektrischen Energiequellen steuert.

[0065] Es kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, welcher derart ausgeführt ist, eine Temperatur der elektrisch leitfähigen Strukturen und/oder des ersten Substrats und/oder des zweiten Substrats zu vermessen. Der Temperatursensor ist vorzugsweise mit der Steuervorrichtung verbunden. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, durch den Temperatursensor bereitgestellte Messwerte oder Daten auszuwerten. Falls die durch den Temperatursensor gemessene Temperatur der genannten Bauteile einen Grenzwert überschreitet, kann die Bestromung des ersten Induktors und/oder des zweiten Induktors abgeschaltet werden. Ebenfalls ist es möglich, die Temperatur von verschiedenen Bereichen der elektrisch leitfähigen Strukturen und/oder des ersten Substrats und/oder des zweiten Substrats zu messen. Falls ein Temperaturgradient einen vorbestimmten Wert überschreitet, kann die Bestromung des Induktors abgeschaltet werden. Die Steuervorrichtung kann auch eine Bestromungsdauer des ersten Induktors und/oder des zweiten Induktors festlegen oder bestimmen. Die Steuervorrichtung kann z. B. ein Prozessor sein. Weiter kann ein Speichermedium vorhanden sein, indem beispielsweise Spannungswerte, Stromwerte, Wechselstromfrequenzen, Wechselspannungsfrequenzen, Bestromungsdauern, Temperaturverläufe und/oder Temperaturgradienten von bekannten Materialkombinationen gespeichert sein können. Das Speichermedium ist vorzugsweise mit der Steuervorrichtung verbunden.

[0066] Die beschriebene Vorrichtung kann insbesondere in dem oben beschriebenen Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen verwendet werden.

[0067] Es sei an dieser Stelle betont, dass Merkmale, die nur in Bezug auf die Vorrichtung genannt wurden, auch für das genannte Verfahren beansprucht werden können und anders herum.

[0068] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigt

[0069] Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Substrat mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen und Funktionselementen;

[0070] Fig. 2 Detail X der Fig. 1; [0071] Fig. 3 eine Aufsicht auf zwei verschiedene elektrisch leitfähige Strukturen; [0072] Fig. 4 ein Teil einer Seitenansicht auf das Substrat der Fig. 1;

[0073] Fig. 5 eine Seitenansicht einer Konfiguration von zwei Substraten, welche mittels elektrisch leitfähiger Strukturen miteinander verbunden sind;

[0074] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Substrats mit Rahmen, elektrisch leitfähigen Strukturen sowie elektrisch leitfähigen Verbindungsbrücken in der Aufsicht;

[0075] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines Substrats mit elektrisch leitfähigen Strukturen und elektrisch leitfähigen Verbindungsbrücken in der Aufsicht;

[0076] Fig. 8 eine Aufsicht auf einen mäanderförmigen Induktor; [0077] Fig. 9 eine Aufsicht auf mehrere parallelgeschaltete mäanderförmige Induktoren;

[0078] Fig. 10 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einer Ausführungsform;

[0079] Fig. 11 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einer weiteren Ausführungsform;

[0080] Fig. 12 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einer weiteren Ausführungsform;

[0081] Fig. 13 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einer weiteren Ausführungsform;

[0082] Fig. 14 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einer weiteren Ausführungsform;

[0083] Fig. 15 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einem Vergleichsbeispiel;

[0084] Fig. 16 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einem Vergleichsbeispiel;

[0085] Fig. 17 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einem Vergleichsbeispiel; und

[0086] Fig. 18 eine Anordnung eines Induktors und eines Substrats gemäß einem Vergleichsbeispiel.

[0087] In den Figuren sind wiederkehrende Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0088] Bevor auf das erfindungsgemäße Verfahren eingegangen wird, werden zunächst die im Verfahren verwendeten Strukturen und Vorrichtungen erläutert.

[0089] Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf ein Substrat 1 mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen 2, welche in regelmäßigen Abständen 99 auf dem Substrat 1 angeordnet sind. Die Fig. 2 zeigt hierbei einen Ausschnitt X der Fig. 1.

[0090] Die Herstellung der elektrisch leitfähigen Strukturen 2, 4 auf dem Substrat 1 erfolgt z. B. mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und fotolithografischer Strukturierung. Ein derartiger Verfahrensablauf ist dem Fachmann geläufig; alternative Verfahren zum Aufbringen der elektrisch leitfähigen Strukturen 2, 4 auf das Substrat 1 sind ebenfalls denkbar. Die elektrisch leitfähigen Strukturen 2, 4 (nachfolgend auch "Strukturen" 2 genannt) sind also stoffschlüssig mit dem Substrat 1 verbunden.

[0091] Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind 37 Strukturen 2 auf dem Substrat 1 angeordnet. Die Anzahl der Strukturen kann je nach Bedarf höher oder kleiner ausfallen. So können z. B. 10, 100, 200, 500, 1000 oder sogar mehr Strukturen 2 auf dem Substrat 1 angeordnet sein. Die Strukturen 2 umfassen vier miteinander verbundene Stege 97, welche rahmenförmig angeordnet sind. Der Rand 5 einer Struktur 2 ist z. B. quadratisch (Fig. 2) oder rechteckig (Fig. 3 links). Die quadratischen Strukturen 2 haben Abmessungen von 15 mm x 15 mm (y-Richtung bzw. x-Richtung). Die Stege 97 haben eine Breite b von 3 mm und eine Höhe h (in z-Richtung) von 1,5 um (vgl. Fig. 4). In der Fig. 4 ist ein Teil einer Seitenansicht auf das Substrat 1 der Fig. 1 gezeigt. Zur besseren Anschauung ist die Höhe h der Strukturen 2 in z-Richtung vergrößert dargestellt. Die Breite b und Höhe h können in weiteren Ausführungsformen wesentlich kleiner sein. So können die Stege eine Breite b von 0,5 mm oder kleiner und eine Höhe von 0,2 um oder kleiner aufweisen.

[0092] Die Strukturen 2 sind vorzugsweise metallisch und können beispielsweise aus Aluminium, Silber, Kupfer, Gold, Zinn, Blei, oder einer Legierung aus mindestens einem der vorstehenden Metalle gebildet sein. Die Stege 97 der Struktur 2 bilden somit jeweils eine geschlossene elektrische Leiterschleife.

[0093] Das Substrat 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Wafer aus einem Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium. Das Substrat hat eine elektrische Leitfähigkeit, die mindestens fünfzigmal kleiner ist, als die der Strukturen 2.

[0094] Außerdem befindet sich auf dem Substrat 1 eine Vielzahl von Mikrosystemen 3, die als integrierte Schaltkreise, integrierte Schaltungen, Mikroprozessoren, mikroelektro-mechanische Systeme (MEMS), Mikrocontroller oder Sensoren ausgebildet sein können. Die Mikrosysteme 3 sind jeweils innerhalb der Rahmenform der elektrisch leitfähigen Struktur 2 positioniert. Die Mik-

rosysteme 3 werden im unten genannten Verfahren durch das Substrat 1, die Strukturen 2 und ein weiteres Substrat 100 eingekapselt. Die Mikrosysteme 3 können eine Reihe von unterschiedlichen Funktionselementen 22 aufweisen. Die Aomessungen der Funktionselemente 22 der Mikrosysteme 3 sind in der Regel kleiner als die Breite b der elektrisch leitfähigen Strukturen 2. Beispielsweise betragen die Abmessungen der Funktionselemente höchstens 10% der Breite b der Strukturen 2.

[0095] Die Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht einer Konfiguration von zwei Substraten 1 und 100, welche mittels elektrisch leitfähiger Strukturen 2 miteinander verbunden sind. Die Substrate 1, 100 und die Strukturen 2 umschließen die Mikrosysteme 3. Durch Trennen der Substrate 1, 100 kann eine Vielzahl von getrennten eingekapselten Mikrosystemen 3 erhalten werden.

[0096] Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei weitere Ausführungsformen von Substraten 1, auf denen elektrisch leitfähige Strukturen 2 angeordnet sind. Die elektrisch leitfähigen Strukturen 2, 4 der Figuren 6 und 7 sind miteinander über elektrisch leitfähigen Verbindungsbrücken 23 verbunden. Die elektrisch leitfähigen Verbindungsbrücken 23 sind ebenfalls auf dem Substrat 1 angeordnet.

[0097] Die Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf zwei alternative elektrisch leitfähige Strukturen 2, 4. Im Unterschied zu den Strukturen 2 der Figuren 1, 2 und 3 links, sind die elektrisch leitfähigen Strukturen 4 der Figuren 3 rechts und 7 nicht rahmenförmig sondern flächig. Sie haben also insbesondere keine mittige Öffnung. Die Strukturen 4 können z. B. als "Pads" bezeichnet werden.

[0098] Nachfolgend werden verschiedene Induktoren 6 zum Erwärmen der Strukturen 2, 4 näher beschrieben.

[0099] Die Figuren 8 bis 14 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Induktoren 6. Zur besseren Anschauung sind in den Figuren 10, 11, 12 und 14 Schnitte A-A der jeweiligen Figuren 10, 11, 12 bzw. 14 abgebildet.

[00100] Durch Anlegen einer Wechselspannung bzw. Beaufschlagen mit einem Wechselstrom können die Induktoren 6 elektromagnetische Felder erzeugen, die wiederum bei entsprechender Anordnung der Induktoren 6 Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Strukturen 2, 4 generieren. Als Induktormaterial können verschiedene elektrisch leitfähige Materialien (üblicherweise Metalle, wie Kupfer, Aluminium, Silber bzw. deren Legierungen) verwendet werden.

[00101] Die Fertigung des Induktors 6 kann mittels Umformen (Biegen), Trennen (Fräsen, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Scherschneiden, Erodieren), Urformen (3D-Druck / Selektives Lasersintern, Gießen) oder Beschichten (Aerosoljet, Siebdruck, Galvanisch) erfolgen. Der Induktor 6 kann aktiv gekühlt, passiv gekühlt oder ungekühlt ausgeführt bzw. verwendet werden. Eine Kühlung des Induktors 6 kann mithilfe von Wärmeträgerflüssigkeiten oder -gasen (z. B. Kühlwasser, Druckluft) erfolgen. Die Kühlung kann innengekühlt (z. B. Induktor als Hohlrohr) oder außengekühlt (z. B. Induktor durch Kühlwasser umflossen) integriert werden.

[00102] Der in den Figuren 8-14 gezeigte Induktor 6 weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Induktorelementen 30 auf. Jedes Induktorelement 30 weist mindestens einen (ersten) Verbindungsabschnitt 31 und mindestens zwei Schenkel 32 auf, wobei der (erste) Verbindungsabschnitt 31 die beiden Schenkel 32 miteinander verbindet. Die Induktorelemente 30 sind miteinander über zweite Verbindungsabschnitte 33 in Serie verbunden. Induktorelemente 30 bilden zusammen eine Leiterschleife, die einen Innenbereich 7 und einen Außenbereich 8 aufweist. Typischerweise sind elektromagnetische Feldstärke und Flussdichte des durch den Induktor 6 hervorgerufenen elektromagnetischen Feldes bzw. Flusses im Innenbereich 7 des Induktors 6 größer als im Außenbereich 8 des Induktors 6.

[00103] Die Schenkel 32 der Induktorelemente 30 sind in einer Ebene angeordnet, die parallel zum Substrat 1 ist (s. unten). Die Schenkel 32 sind entlang einer Längsrichtung y im Wesentlichen gerade ausgebildet und verlaufen parallel zueinander. Eine seitliche Richtung x steht hierbei senkrecht auf der Längsrichtung y. Die Verbindungsabschnitte 31 und 33 sind hierbei bogenförmig, sodass der Induktor 6 bzw. die Induktorelemente 30 insgesamt eine mäanderförmige Struktur aufweist bzw. aufweisen.

[00104] Wie in den Schnitten A-A der Figuren 10, 11, 12 und 14 zu erkennen ist, haben die Schenkel 32 der Induktorelemente 30 einen quadratischen Querschnitt. Alternativ kann der Querschnitt der Schenkel 32 z. B. auch oval, rund oder rechteckig sein.

[00105] Die Schenkel 32 jedes einzelnen Induktorelements 30 der Figuren 8, 9, 10, 11 und 14 haben einen konstanten und gleichen Schenkelabstand 9, 13 in x-Richtung / seitlicher Richtung x zueinander. Eine Windungsbreite 98 setzt sich typischerweise zusammen aus zwei Schenkelbreiten 11, 15 und einem Schenkelabstand 9, 13. In der Figur 10 entspricht die Windungsbreite 98 etwa einer seitlichen Ausdehnung einer elektrisch leitfähigen Struktur 2. In der Fig. 11 ist die Windungsbreite 98 so groß wie zwei seitliche Ausdehnungen der Strukturen 2 und ein Abstand 99 zwischen den Strukturen 2.

[00106] In den Figuren 12 und 13 ist ein Schenkelabstand (Fig. 12: Schenkelabstand 19, 20) innerhalb eines einzelnen Induktorelements 30 zwar konstant und gleich; jedoch ist der Schenkelabstand in den verschiedenen Induktorelementen 30 unterschiedlich. Es gibt somit mindestens zwei Induktorelemente 30, die einen unterschiedlichen Schenkelabstand 19, 20 aufweisen.

[00107] In der Figur 12 gibt es mehrere Induktorelemente 30, die jeweils mehr als zwei Schenkel 32 aufweisen. Hierbei sind in der Figur 12 Abschnitte 16 und 17 gezeigt, die zusätzlich zu den äußeren Schenkel 32 der Induktorelemente 30 weitere zwei oder vier Schenkel 32 im Innenbereich 7 aufweisen. Weiter sind im Abschnitt 18 zwei zusätzliche Schenkel 32 im Außenbereich 8 dargestellt. Die Anzahl der Schenkel 32 des jeweiligen Induktorelements 30 ist hierbei eine gerade Anzahl 2n, wobei die Anzahl der ersten Verbindungsabschnitte 2n-1 beträgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Stromrichtung im Induktor 6 nicht umgekehrt wird.

[00108] Die Schenkel 32 der Figuren 8-14 haben eine konstante Schenkelbreite 11, 15, 21. Alternativ kann die Schenkelbreite 11, 15, 21 auch entlang der Längsrichtung y der Schenkel 32 variieren. Die Schenkelbreite 11, 15, 21 korrespondiert mit einer Stegbreite b der Stege 97 der elektrisch leitfähigen Strukturen 2. Die Schenkelbreite ist somit kleiner als die Hälfte der Summe der Abmessungen der Strukturen 2 und des Strukturabstandes 99 in seitlicher Richtung x.

[00109] Aus den Figuren 8 bis 14 geht hervor, dass eine Projektion der Schenkel 32 jedes Induktorelements 31 auf das Substrat 1 in seitlicher Richtung x höchstens zwei zu erwärmende, elektrisch leitfähige Strukturen 2 einschließt.

[00110] Ein Schenkelabstand oder Abstand zwischen benachbarten Induktorelementen 30 ist ebenfalls konstant und in den Figuren 8, 9, 10 und 14 mit den Bezugszeichen 10 und 14 gekennzeichnet.

[00111] Die Ausführungsform des in der Fig. 13 gezeigten Induktors 6 ist eine Mischform der Induktoren aus den Ausführungsformen der Figuren 10 und 11. Weitere Mischformen sind ebenfalls möglich.

[00112] Der in der Fig. 9 gezeigte Induktor 6 weicht insofern von den in den Figuren 8, 10-14 gezeigten Induktoren ab, als der Induktor 6 drei Gruppen 36, 37, 38 von Induktorelementen 30 aufweist, wobei die Gruppen 36, 37, 38 parallel zueinander geschaltet sind. Es können zwei Gruppen oder mehr als drei Gruppen vorgesehen sein.

[00113] Der Induktor 6 aus den Figuren 8-14 ist über Zuleitungen 34 mit einer elektrischen Energiequelle 35 verbunden, wobei die elektrische Energiequelle 35 eine Wechselstromquelle oder eine Wechselspannungsquelle sein kann. Die elektrische Energiequelle ist dazu ausgelegt, eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom für den Induktor 6 bereitzustellen. Eine Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms ist hierbei abhängig von der jeweiligen Anwendung und kann z. B. mindestens 100 kHz und/oder höchstens 15 MHz betragen. Die elektrische Energiequelle 35 kann eine Spannung von etwa 100 bis 900 V an den Induktor 6 anlegen. Der durch den Induktor 6 fließende Strom hat eine Stromstärke von etwa 300 - 500 A.

[00114] Eine nicht dargestellte Steuervorrichtung ist vorgesehen, welche ausgebildet ist, die elektrische Energiequelle 35 anzusteuern. Es kann optional ein Temperatursensor vorgesehen sein, welche ausgestaltet ist, eine Temperatur der elektrisch leitfähigen Strukturen 2 und/oder

des ersten Substrats 1 und/oder des zweiten Substrats 100 zu vermessen. Der Temperatursensor ist mit der Steuervorrichtung verbunden, wobei die Steuervorrichtung dazu konfiguriert ist, Messwerte oder Daten des Temperatursensors auszuwerten. Außerdem ist ein mit der Steuervorrichtung verbundenes Speichermedium vorgesehen, in dem Spannungsverläufe, Stromverläufe, Wechselstromfrequenzen, Wechselspannungsfrequenzen, Bestromungsdauern und/oder Temperaturverläufe von vorbekannten Materialkombinationen gespeichert sind.

[00115] Die in den Figuren 1-7 gezeigten elektrisch leitfähigen Strukturen 2 lassen sich vorzugsweise mittels der in den Figuren 8-14 gezeigten Induktoren 6 erwärmen.

[00116] Hierzu wird der Induktor 6 zunächst oberhalb oder unterhalb des Substrats 1 angeordnet, s. Figuren 10-14. Der Induktor 6 wird derart angeordnet, dass jedes Induktorelement 30 jeweils mit einem Rand mindestens einer elektrisch leitfähigen Struktur 2 überlappt. Weiter wird der Induktor 6 so angeordnet, dass das jeweilige Induktorelement 30 parallel zu dem Rand der elektrisch leitfähigen Struktur 2 verläuft. Hierbei verläuft jedes Induktorelement 30, insbesondere die Schenkel 32, vorzugsweise im Bereich der Überlappung parallel zu dem Rand der jeweiligen elektrisch leitfähigen Struktur 2. Die Induktorelemente 30, insbesondere die Schenkel 32, können sich jeweils entlang einer kompletten Länge in Längsrichtung y der elektrisch leitfähigen Struktur 2 erstrecken.

[00117] Nach dem Anordnen des Induktors 6 oberhalb oder unterhalb des Substrats 1 wird der Induktor 6 mit einem Wechselstrom mittels der elektrischen Energiequelle 35 beaufschlagt. Alternativ oder zusätzlich wird eine Wechselspannung an den Induktor 6 mittels der elektrischen Energiequelle 35 angelegt. Hierdurch werden Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Strukturen 2 erzeugt. Die Wirbelströme werden typischerweise unmittelbar durch das magnetische Wechselfeld des Induktors 6 in den elektrisch leitfähigen Strukturen 2 induziert. Die Wirbelströme erwärmen die elektrisch leitfähigen Strukturen 2 entsprechend dem ersten Jouleschen Gesetz. Die Frequenz des Wechselstroms und/oder der Wechselspannung sind hierbei auf die Dimensionen der elektrisch leitfähigen Strukturen abgestimmt, damit die Erzeugung von Wirbelströmen möglichst effektiv und effizient ist.

[00118] Da die zu erwärmenden elektrisch leitfähigen Strukturen 2 innerhalb der Projektion des Innenbereichs 7 auf dem Substrat 1 stärker erwärmt werden können, als innerhalb der Projektion des Außenbereichs 8 auf dem Substrat 1, wird der Induktor 6 so angeordnet, dass die elektrisch leitfähigen Strukturen 2 innerhalb der Projektion des Innenbereichs 7 auf dem Substrat 1 liegen (vgl. Figuren 10-14).

[00119] Da die Form und die räumliche Anordnung des Induktors 6 in Bezug auf das Substrat 1 an die Geometrie und Anordnung der elektrisch leitfähigen Strukturen 2 auf dem Substrat 1 angepasst sind, sollte sich der Induktor 6 in Bezug auf das Substrat 1 während des Induzierens der Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Strukturen 2 und der Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen 2 nicht bewegen.

[00120] Das Substrat 1 kann durch die Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen 2 mit einem weiteren Substrat 100 verbunden werden, s. z. B. Fig. 5. Einzelheiten hierzu entnimmt der Fachmann z. B. der Veröffentlichung US 7 332 411 B2, welche durch Referenzieren vollumfänglich zum Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

[00121] Das erste Substrat 1 und das zweite Substrat 100 können identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise kann das zweite Substrat 100 mit oder ohne elektrisch leitfähige Strukturen 2 versehen sein. Während das erste Substrat 1 in der Regel als Wafer oder Leiterplatte ausgebildet ist, kann das zweite Substrat 100 z. B. eine Glasscheibe oder auch ein Wafer oder eine Leiterplatte sein. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Form der Substrate 1, 100 beschränkt. Für die Merkmale des zweiten Substrats 100 kann im Ubrigen auf die obige Beschreibung der Merkmale des ersten Substrats 1 verwiesen werden.

[00122] Vor dem Schritt des Anordnens des Induktors 6 oberhalb oder unterhalb des ersten Substrats 1 wird das zweite Substrat 100 in Bezug auf das erste Substrat 1 ausgerichtet. Der Fachmann spricht hier vom Bondalignment. Beispielsweise können die elektrisch leitfähigen Struktu-

ren 2 des ersten Substrats 1 und des zweiten Substrats 100, falls vorhanden, aufeinander positioniert werden. Das zweite Substrat 100 kann derart angeordnet werden, dass das zweite Substrat 100 die elektrisch leitfähigen Strukturen 2 des ersten Substrats 1 berührt, s. Fig. 5. Nach dem Schritt des Ausrichtens können das erste Substrat 1 und das zweite Substrat 100 aneinander befestigt, gepresst oder geklammert werden, z. B. mittels Clamps.

[00123] Hiernach wird der Induktor 6 wie oben beschrieben angeordnet. Durch die Erwärmung oder Erhitzung der elektrisch leitfähigen Strukturen 2, kann eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Substrate 1, 100 hergestellt werden. So können die elektrisch leitfähigen Strukturen 2 durch den erzeugten Temperaturanstieg aufgeschmolzen werden. Die stoffschlüssige Verbindung kann z. B. durch Löten, Schweißen, Sintern und/oder Diffusion erfolgen.

[00124] Das oben geschilderte Verfahren eignet sich insbesondere zur Verkapselung von Mikrosystemen 3. Durch das Verbinden der beiden Substrate 1, 100 mittels der elektrisch leitfähigen Strukturen 2 wird das dazwischenliegende Mikrosystem 3 hermetisch eingekapselt.

[00125] Um die Effizienz bzw. die Homogenität der Erwärmung zu steigern, kann außerdem ein zweiter Induktor 60 verwendet werden, vgl. Fig. 14. Wenn der erste Induktor 6 oberhalb des ersten Substrats 1 angeordnet wird, wird der zweite Induktor 60 unterhalb des ersten Substrats 1 angeordnet. Der zweite Induktor 60 kann z. B. in Bezug auf den ersten Induktor 6 parallel oder um 90° oder 180° gedreht ausgerichtet werden. Der erste Induktor 6 und der zweite Induktor 60 können unterschiedlich oder identisch ausgebildet sein. Für die Merkmale des zweiten Induktors 60 wird auf die obige Beschreibung des ersten Induktors 6 verwiesen.

[00126] An dieser Stelle sei betont, dass eine Verwendung von zwei Induktoren 6, 60 bei zwei Substraten 1, 100 ebenfalls möglich ist.

[00127] Zusätzlich zu den obigen Ausführungen kann eine weitere Homogenisierung der Temperatur der elektrisch leitfähigen Strukturen 2, 4 durch eine partielle Anhebung der Induktorelemente 30 in z-Richtung, d.h. senkrecht zu dem Substrat 1, 100, und/oder durch den partiellen Einsatz von feldführenden Elementen über den Induktorelementen 30 erreicht werden.

[00128] Nachstehend werden die Anwendungsbeispiele 1-4 miteinander verglichen. Die Figuren 15 bis 18 zeigen Anordnungen jeweils eines Induktors und eines Substrats gemäß den Anwendungsbeispielen 1-4. In den unteren Graphen der Figuren 15-18 sind räumliche Temperaturverläufe während der Erwärmung der elektrisch leitfähigen Strukturen 2 dargestellt.

[00129] Bei den Vergleichsbeispielen 1-4 wurden folgende Parameter verwendet: » Querschnitt der Induktorschenkel: Quadratisch, 4 mm x 4 mm » Induktormaterial: Cu-ETP » Herstellung des Induktors: Umformen (Biegen) =» Kühlung des Induktors: innengekühlt mit Wasser = Material der induktiv zu erwärmende Strukturen: Aluminium, Dicke: 1,5 um

» Geometrie der zu erwärmenden Strukturen: Rahmen, 15 mm x 15 mm, Stegbreite: 3 mm

» Induktiv nicht zu erwärmendes Substrat: Silizium, 6 150 mm, Dicke: 675 um, p(100), p= 10...20 Q-cm

» Induktiv nicht zu erwärmende Funktionselemente: keine vorhanden

=» Verbindungsbrücken: keine vorhanden

» Generatorparameter: fres = 1400 kHz, HF-Spannung: 436 V, HF-Stromstärke: 151 A » Heizdauer: 3 Sekunden

[00130] Die Vergleichsbeispiele unterscheiden sich lediglich in der Form des Induktors 6 und der Anordnung des Induktors 6 oberhalb des Substrats 1.

[00131] In der Fig. 15 wurde ein mäanderförmiger Induktor gemäß der Ausführungsform der Fig. 10 gewählt. Zu erkennen ist, dass die Form und die Anordnung des Induktors an die spezifische Formgebung der elektrisch leitfähigen Strukturen angepasst sind.

[00132] Der in der Fig. 16 gezeigte Induktor ist ebenfalls mäanderförmig. Die in den Figuren 17 und 18 gezeigten Induktoren sind ringförmig bzw. spiralförmig. Die in den Figuren 16 bis 18 gezeigten Induktorgeometrien sind nicht an die spezifische rahmenförmige Geometrie der elektrisch leitfähigen Strukturen angepasst.

[00133] Mittels Thermografie wurde eine Temperatur der Anordnungen der Fign. 15-18 gemessen und in den unteren Darstellungen der Fign. 15-18 visualisiert.

[00134] Hierbei wurden folgende Mindest- und Maximaltemperaturen Tmin ZW. Tmax In °C gemessen:

o Fig.15: Tmin= 197 °C; Tmax= 218 °C (AT = 21 K; +5 %)

o Fig.16: Tmin= 109 °C; Tmax > 300 °C (AT > 191 K; + 34 %) o Fig.17: = Tmin= 162 °C; Tmax > 300 °C (AT > 138 K; + 25 %) o Fig.18: Tmn= 60°C; Tmax = 246 °C (AT =186 K; + 41)

[00135] Die Temperaturdifferenz zwischen Tmax und Tmin ist hierbei angegeben als AT in K. Während die Temperaturdifferenz (AT des Beispiels der Fig. 15 lediglich 21 K beträgt, sind die Temperaturdifferenzen (AT der Beispiele der Figuren 16-18 deutlich größer als 100 K. Folglich können die rahmenförmigen Strukturen durch den Induktor der Fig. 15 homogen erwärmt werden (d. h. (AT ist z. B. kleiner als 50 K, 40 K oder 30 K), während die Figuren 16-18 inhomogene Temperaturverläufe der rahmenförmigen Strukturen aufweisen.

Österreichischer AT 521 456 B1 2024-01-15

BEZUGSZEICHENLISTE:

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 30 31 32 33 34 35 36 37 38 60 97 98 99 100

Substrat

elektrisch leitfähige Strukturen

Mikrosystem

elektrisch leitfähige Strukturen

Rand

erster Induktor

Innenbereich

Außenbereich

Schenkelabstand zwischen zwei Schenkeln eines Induktorelements Schenkelabstand zwischen zwei benachbarten Induktorelementen Schenkelbreite

Ausdehnung einer elektrisch leitfähigen Struktur in x-Richtung Schenkelabstand zwischen zwei Schenkeln eines Induktorelements Schenkelabstand zwischen zwei benachbarten Induktorelementen Schenkelbreite

Induktorabschnitt

Induktorabschnitt

Induktorabschnitt

Schenkelabstand zwischen zwei Schenkeln eines Induktorelements Schenkelabstand zwischen zwei Schenkeln eines Induktorelements Schenkelbreite

Induktorelement

erster Verbindungsabschnitt

Schenkel

zweiter Verbindungsabschnitt

Zuleitung

elektrische Energiequelle

Gruppe von Induktorelementen

Gruppe von Induktorelementen

Gruppe von Induktorelementen

zweiter Induktor

Steg

Windungsbreite

Strukturabstand

weiteres Substrat

Breite der elektrisch leitfähigen Struktur Höhe der elektrisch leitfähigen Struktur seitliche Richtung

Längsrichtung

Claims (15)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen (2, 4), welche auf einem elektrisch nicht-leitfähigen ersten Substrat (1) angeordnet sind, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen eines ersten Induktors (6) mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Induktorelementen (30), wobei jedes Induktorelement mindestens einen ersten Verbindungsabschnitt (31) und mindestens zwei Schenkel (32) aufweist, wobei der erste Verbindungsabschnitt (31) die beiden Schenkel (32) des Induktorelements (30) miteinander verbindet, und wobei die Induktorelemente (30) miteinander durch zweite Verbindungsabschnitte (33) in Serie verbunden sind,

- Anordnen des ersten Induktors (6) oberhalb oder unterhalb des ersten Substrats (1), derart, dass o jedes Induktorelement (30) jeweils zumindest bereichsweise mit einem Rand (5) min-

destens einer elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) überlappt und/oder o jedes Induktorelement zumindest bereichsweise parallel zu dem Rand (5) der elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) verläuft,

- Beaufschlagen des ersten Induktors (6) mit einem Wechselstrom oder Anlegen einer Wechselspannung an den ersten Induktor (6) und

- Induzieren von Wirbelströmen in den elektrisch leitfähigen Strukturen (2, 4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes Induktorelement (30) im Bereich der Überlappung mit der elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) parallel zu dem Rand der elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) verläuft.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktorelemente (30) zusammen eine Leiterschleife bilden und einen Innenbereich (7) der Leiterschleife umgeben, wobei ein Außenbereich (8) außerhalb der Leiterschleife liegt, und der erste Induktor derart angeordnet wird, dass sämtliche zu erwärmenden elektrisch leitfähigen Strukturen (2, 4) innerhalb einer Projektion des Innenbereichs (7) auf das erste Substrat (1) liegen.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Induktor (6) derart angeordnet wird, dass die Induktorelemente (30) sich jeweils entlang einer kompletten Längsrichtung mindestens einer elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) erstrecken.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die in den leitfähigen Strukturen (2, 4) induzierten Wirbelströme unmittelbar und/oder primär durch das vom Induktor erzeugte magnetische Feld induziert werden.

6. Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, um fassend den genannten ersten Induktor (6), wobei eine Projektion der Schenkel (32) jedes Induktorelements (30) auf das Substrat (1) in seitlicher Richtung höchstens zwei Reihen zu erwärmender, elektrisch leitfähiger Strukturen (2, 4) einschließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktorelemente (30) mäanderförmig angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkei (32) in einer Ebene angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Längsrichtungen der Schenkel jedes Induktorelements im Wesentlichen parallel zueinander sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schenkelbreite (11, 15, 21) kleiner als eine seitliche Ausdehnung einer zu erwärmenden, elektrisch leitfähigen Struktur (2, 4) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei ein Schenkelabstand (9, 13, 19) einen maximalen Abstand in seitlicher Richtung zwischen den beiden Schenkeln (32) eines

Induktorelements (30) definiert, wobei der Schenkelabstand (9) in jedem Induktorelement (30) gleich und/oder konstant ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei ein Schenkelabstand (9) einen maximalen Abstand in seitlicher Richtung zwischen den beiden Schenkeln (32) eines Induktorelements (30) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Induktorelemente (30) gibt, die einen unterschiedlichen Schenkelabstand (9) aufweisen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungsabschnitt (31) und/oder der zweite Verbindungsabschnitt (33) als bogenförmige oder gerade Abschnitte ausgebildet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei der erste Induktor (6) eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von nebeneinander angeordneten Induktorelementen (36, 37, 38) umfasst, wobei die erste Gruppe und die zweite Gruppe parallel zueinander geschaltet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, gekennzeichnet durch einen zweiten Induktor (60), welcher parallel oder in einem Winkel von 90° oder 180° zu dem ersten Induktor (6) ausgerichtet ist.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen