DE10015964A1 - Lotband für flexible und temperaturfeste Lotverbindungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lotband für flexible und temperaturfeste Lotverbindungen zwischen einem Leistungshalbleiter-Bauelement (7) und einem Kühlkörper (8). Das Lotband besteht aus einer vielfach unterbrochenen Metallfolie (9).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lotband für flexible und temperaturfeste Lotverbindungen, insbesondere zur Verbin­ dung eines Leistungshalbleiterbauelementes mit einem Kühlkör­ per.

Leistungshalbleiterbauelemente entwickeln im Betrieb be­ trächtliche Wärmemengen, die erhebliche Temperatursteigerun­ gen bewirken, die zu einer Zerstörung der Leistungshalblei­ terbauelemente führen können. Aus diesem Grund werden Lei­ stungshalbleiterbauelemente mit Kühlkörpern ausgestattet, die die in den Leistungshalbleiterbauelementen entwickelte Wärme aufnehmen.

Leistungshalbleiterbauelemente bestehen zumeist aus Silizium, während für die Kühlkörper vorzugsweise Kupfer verwendet wird.

Wird nun ein Silizium-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Kupfer-Kühlkörper versehen, so treten infolge der durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und Kupfer bedingten thermischen Fehlanpassung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper im Halblei­ terkörper des Leistungshalbleiterbauelementes große mechani­ sche Spannungen auf, die zu Rißbildungen und Brüchen führen können.

An der Lösung dieses Problemes wird seit vielen Jahren inten­ siv gearbeitet. Dabei ist zu beachten, daß das Leistungshalb­ leiterbauelement einerseits möglichst nahe an dem Kühlkörper vorgesehen werden sollte, um eine gute Wärmeableitung zu dem Kühlkörper gewährleisten zu können. Andererseits sollte aber ein bestimmter Mindestabstand durch eine zwischen dem Lei­ stungshalbleiterbauelement und dessen Kühlkörper vorgesehene Verbindungsschicht eingehalten werden, damit diese die bei der Verformung des Leistungshalbleiterbauelementes und des Kühlkörpers auftretenden Scherspannungen aufnehmen kann.

Bisher werden verbreitet Keramik/Kupfer-Substrate (DCB-Sub­ strate) eingesetzt, auf die ein Silizium-Leistungshalbleiter­ bauelement mittels einer Blei-Zinn-Weichlot-Verbindungs­ schicht aufgebracht wird, und die gegebenenfalls noch mit ei­ nem zusätzlichen Kupfer-Kühlkörper auf der dem Leistungs­ halbleiterbauelement gegenüberliegenden Seite versehen werden können. Die Weichlot-Verbindungsschicht reagiert auf die auf­ tretenden mechanischen Scherspannungen mit plastischer Ver­ formung und trägt somit dazu bei, diese Scherspannungen abzu­ bauen.

Obwohl die DCB-Substrate thermisch an Silizium angepaßt sind, hat dieser Ansatz zur Lösung der oben aufgezeigten Problema­ tik gewisse Nachteile: durch das DGB-Substrat und die Blei- Zinn-Weichlot-Verbindungsschicht wird die Wärmeableitung aus dem Leistungshalbleiterbauelement verschlechtert. Weiterhin vermag die Weichlot-Verbindungsschicht höhere Betriebstempe­ raturen im Bereich von 200°C, wie sie derzeit in der Elektro­ nik gelegentlich gefordert werden, nicht auszuhalten, da Weichlot in diesem Temperaturbereich zu fließen beginnt.

Damit Stabilität und Betriebssicherheit auch bei höheren Tem­ peraturen gewährleistet sind, werden gelegentlich sogenannte Diffusionslötverbindungen zwischen einem Leistungshalbleiter­ bauelement und einem Kühlkörper, wie insbesondere einem DCB- Substrat, eingesetzt. Bei solchen Diffusionslötverbindungen ist aber die Lotnaht hart und extrem dünn, so daß die auftre­ tenden mechanischen Spannungen nicht zuverlässig ausgeglichen werden können und ein Ausfall des Leistungshalbleiterbauele­ mentes nicht auszuschließen ist.

Derzeit wird als Verbindungsschicht, auch "Interposer" ge­ nannt, zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Kühlkörper bevorzugt entweder eine etwa 100 µm dicke Weichlotschicht oder eine etwa gleich dicke organische Schicht aus Kunststoff eingesetzt. Unter Leistungshalbleiter­ bauelement ist dabei gegebenenfalls auch eine integrierte Schaltung zu verstehen, während ein Kühlkörper die Platte bzw. das Board dieses Leistungshalbleiterbauelementes umfas­ sen kann.

Eine derartige Weichlotschicht ist aber, wie bereits oben er­ wähnt wurde, für Anwendungen in Temperaturbereichen um 200°C und darüber ungeeignet, während eine organische Schicht für die Wärmeableitung wenig geeignet ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lotband anzugeben, mit dem sich mechanisch stabile, elastisch ver­ formbare hochtemperaturfeste Lotverbindungen von Leistungs­ halbleiterbauelementen direkt mit ihren Kühlkörpern erreichen lassen; außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines sol­ chen Lotbandes angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Lotband der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine vielfach unterbrochene Metallfolie, die beidseitig mit einem Lotfilm belegt ist.

Das erfindungsgemäße Lotband bildet eine flexible Verbin­ dungsschicht bzw. einen Interposer zwischen einem Leistungs­ halbleiterbauelement und einem Kühlkörper bzw. Substrat. Die­ se Metallfolie kann infolge ihrer unterbrochenen bzw. "schwammigen" Ausführung in hervorragender Weise mechanische Spannungen abbauen und gleichzeitig die geforderte hohe Tem­ peraturstabilität und Wärmeableitung gewährleisten.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist also die Verwen­ dung einer vielfach unterbrochenen bzw. "schwammigen" Metall­ folie zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und dessen Kühlkörper oder Substrat. Diese Metallfolie übernimmt die Funktion des Interposers und kann infolge ihres filamentartigen Aufbaues elastisch auf Scherspannungen reagieren, ohne sich plastisch verformen zu müssen. Dennoch kann die Metall­ folie eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine große elektri­ sche Leitfähigkeit erreichen, wenn sie aus geeigneten Mate­ rialien, wie insbesondere Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Nickel, Chrom oder dergleichen besteht.

Das erfindungsgemäße Lötband läßt sich beispielsweise in der folgenden Weise herstellen:

Eine etwa 30 bis 100 µm dicke organische Folie aus z. B. PET (Polyethylentetrafluorid), Polyimid, PVC (Polyvinylchlorid) wird einseitig mit einer dünnen Kupferschicht mit einer Schichtdicke von etwa 1 bis 5 µm kaschiert oder bedampft. In diese organische Folie werden sodann in dichtem Abstand mit einem Laser Löcher mit einem Durchmesser von etwa 10 bis 30 µm gebrannt. Der Abstand zwischen diesen Löchern kann in der gleichen Größenordnung liegen oder auch kleiner sein. Al­ ternativ kann die organische Folie aber auch mittels eines mechanischen Verfahrens perforiert werden. In jedem Fall en­ den die Löcher aber in oder an der Kupferschicht.

Mit Hilfe eines galvanischen Verfahrens werden sodann die Lö­ cher in der organischen Folie mit Kupfer gefüllt. Die Galva­ nik wird fortgesetzt, bis die Kupferschicht über die Löcher hinaus wächst und schließlich einen galvanischen Kupferfilm auf der der dünnen Kupferschicht gegenüberliegenden Seite der organischen Folie bildet. Mit anderen Worten, die Galvanik wird solange vorgenommen, bis die galvanisch erzeugte Kupfer­ schicht oberhalb der Löcher wieder zusammenwächst.

Um ein Aufwachsen einer Kupferschicht auf der Unterseite der durch Kaschierung oder Bedampfung aufgebrachten dünnen Kup­ ferschicht zu verhindern, kann diese mit einem Stopplack be­ schichtet oder mit einer Klebefolie abgedeckt werden. Auf ei­ nen solchen Stopplack bzw. eine derartige Klebefolie kann aber verzichtet werden, wenn während der Galvanik die Elektroden im Elektrolyten so angeordnet sind, daß die Abschei­ dung auf der Unterseite verhindert wird.

Die auf diese Weise erhaltene Anordnung wird sodann auf bei­ den Seiten mit einer 1 bis 5 µm dicken Zinnschicht galvanisch beschichtet, wodurch das erfindungsgemäße Lotband erhalten wird.

Das Lotband kann bei Bedarf mit Hilfe eines Stanzprozesses ohne weiteres in eine geeignete Form konfektioniert werden. Wird es zwischen ein Leistungshalbleiterbauelement bzw. des­ sen Chip und einen Kühlkörper oder ein Substrat gelegt, so kann mit Hilfe eines Diffusionslötprozesses ohne weiteres die gewünschte Verbindung zwischen Leistungshalbleiterbauelement und Kühlkörper bzw. Substrat hergestellt werden.

Ein in der oben beschriebenen Weise konfektioniertes Lotband kann gegebenenfalls bereits beim Hersteller von Leistungs­ halbleiterbauelementen mit diesen verbunden werden, so daß es ein Anwender gegebenenfalls ohne weiteres auf einem Kühlkör­ per, beispielsweise der Karosserie eines Kraftfahrzeuges, be­ festigen kann.

Um den relativ langsamen und teuren Laserprozeß oder das auf­ wendige mechanische Perforieren der organischen Folie zu um­ gehen, kann für diese Folie gegebenenfalls auch ein offenpo­ riger Schaum verwendet werden, bei dem der Volumenanteil der Poren den der Wände weit übersteigen kann. Beim Galvanisieren werden dann die Poren mit Metall gefüllt, und die Wände bil­ den die gewünschten lateralen Unterbrechungen, ohne die Wär­ meleitung in vertikaler Richtung zwischen dem Leistungshalb­ leiterbauelement und dessen Kühlkörper bzw. Substrat nennens­ wert zu behindern.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann für die vielfach unterbrochene Metallfolie auch ein metallischer Schaum eingesetzt werden, der beidseitig metallisiert ist.

Ein solches Lotband aus einer Metallfolie mit einer schaumar­ tig vernetzten Struktur bildet eine flexible Zwischenschicht zwischen dem Halbleiterkörper eines Leitungshalbleiterbauele­ mentes und dem Kühlkörper, welche in hervorragender Weise bei höheren Temperaturen auftretende mechanische Spannungen ab­ baut und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit zeigt.

Die Herstellung dieses Lotbandes wird vorzugsweise wie folgt vorgenommen:

Auf einen Metallfilm wird eine dünne, etwa 100 µm dicke, vor­ zugsweise aus Kunststoff bestehende Folie geklebt, die eine offenporige Struktur hat. Diese Folie ist vorzugsweise selbstklebend oder einseitig mit einem Kleber beschichtet. Die Poren der Folie haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 5 und 20 µm und sind miteinander verbunden.

Der auf diese Weise präparierte Metallfilm wird sodann in ei­ nem Galvanikbad mit beispielsweise Kupfer oder Nickel me­ tallisiert. Bei dieser Metallisierung wächst das Metall, also insbesondere Kupfer oder Nickel, im Bereich der Poren auf dem dünnen Metallfilm (aus beispielsweise ebenfalls Kupfer und/oder Nickel) zu einem vielfach durch den Kunststoff un­ terbrochenen metallischen Schaum auf, wobei die mit Metall gefüllten Poren der Folie miteinander vernetzen, die Wände der Folie aber gleichzeitig verhindern, daß diese Metall­ schicht kompakt zusammenwächst.

Infolge des relativ geringen Volumenanteiles der Wände der Folie im Verhältnis zum Volumen der Poren besteht die aufge­ wachsene Metallschicht überwiegend aus festem Metall, das durch die Kunststoffwände der Folie unterbrochen ist. Durch den galvanischen Prozeß und die dreidimensionale Vernetzung der aufgewachsenen Metallschicht wird außerdem sicherge­ stellt, daß diese aufgewachsene Metallschicht in vertikaler Richtung keine Unterbrechungen aufweist. Mit anderen Worten, es sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektri­ sche Leitfähigkeit der aufgewachsenen Metallschicht in verti­ kaler Richtung zwischen dem Halbleiterkörper und einem Kühl­ körper gewährleistet.

Die Metallschicht braucht nicht unbedingt bis zu der Ober­ kante der Folie aufzuwachsen. Ihre Dicke hängt vielmehr von der späteren Verwendung des Halbleiterbauelementes ab und kann zwischen 10 und 30 µm liegen.

Nach dem oben beschriebenen galvanischen Prozeß wird die Fo­ lie vorzugsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Wände der Folie eben­ falls wie die Poren ein zusammenhängendes, nach oben offenes Gerüst bilden.

Die auf diese Weise gebildete Metallschicht bzw. -folie kann nun direkt verlötet, d. h. mit einer Lotschicht versehen wer­ den. Diese Lotschicht sollte relativ dünn sein und eine Schichtdicke in der Größenordnung von 2,5 µm aufweisen, damit sich die Poren der aufgewachsenen Metallschicht nicht ver­ schließen.

Ein geeignetes Lotverfahren ist das bereits erwähnte Diffusi­ onslöten, mit dem sich bei niedrigen Fügetemperaturen sehr hochtemperaturfeste Verbindungen erreichen lassen.

Die dünne Lotschicht kann auch auf der Metallschicht bei­ spielsweise durch einen galvanischen Prozeß, stromlose Ab­ scheidung, thermisches Verdampfen oder Sputtern von reinem Zinn oder einer noch niedriger schmelzenden Legierung, wie beispielsweise eutektischem Zinn/Indiom aufgetragen werden. Dies kann, speziell bei Massenprozessen, gegebenenfalls noch vor Entfernung der Folie erfolgen.

Anstelle einer Kunststoffolie können auch keramische Werk­ stoffe eingesetzt werden, von welchen ebenfalls Schäume mit stark offenporiger Struktur bekannt sind. Mit anderen Worten, bei dieser Variante wird ein Schaum auf der Basis eines kera­ mischen Werkstoffes als dielektrische Schicht auf dem Wafer abgeschieden und in gleicher Weise wie die Kunststoffolie in ihren Poren galvanisch gefüllt. Dieser Keramikschaum braucht nach der Füllung mit Metall, also insbesondere Kupfer und/oder Nickel, nicht entfernt zu werden, da er die notwen­ dige Temperaturfestigkeit aufweist. In diesem Fall kann die Metallfüllung sogar bis über die Oberkante der durch den Ke­ ramikschaum gebildeten Schicht hinauswachsen, so daß sich schließlich eine geschlossene Oberfläche ergibt.

Eine andere Möglichkeit zur Bildung der schaumartig vernetz­ ten Struktur für die Metallschicht besteht darin, auf den Me­ tallfilm Kunststoffkugeln oder -körner aufzutragen und die Hohlräume zwischen diesen Kugeln bzw. Körnern (im folgenden kurz "Kugeln" genannt) mit Metall zu füllen. Dabei können Ku­ geln unterschiedlicher Größe verwendet werden, um gegebenen­ falls nach deren Entfernung Poren zu erhalten, deren Größe sich stetig zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper ändert. Die Kugeln sollten dabei aus einem Material bestehen, das nicht galvanisiert wird und das sich leicht absetzt, also in einer entsprechenden Galvanisiervorrichtung zu Boden sinkt.

Eine solche Galvanisiervorrichtung ist vorzugsweise mit einem Rührer versehen, der die Kugeln zunächst aufwirbelt. Nach Ab­ schalten dieses Rührers setzen sich die Kugeln auf den Me­ tallfilm ab, wobei die größeren Kugeln infolge ihres höheren Gewichtes nach unten sinken. Sobald die Kugeln auf dem Me­ tallfilm abgelagert sind, wird der galvanische Prozeß begon­ nen, um die Hohlräume zwischen den Kugeln mit Metall, also insbesondere Kupfer oder Nickel, zu füllen.

Um mit dem erfindungsgemäßen Lotband eine hohe Temperaturfe­ stigkeit zu erreichen, ist es zweckmäßig, die organische Fo­ lie nach der Galvanik zu entfernen. Dies geschieht zweckmäßigerweise vor dem vollständigen Schließen der Löcher oder durch eine derartige Gestaltung von diesen, daß genügend of­ fene Stellen verbleiben, durch die die organische Folie mit­ tels eines Lösungsmittels, wie beispielsweise Aceton, heraus­ gelöst oder thermisch mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas ve­ rascht werden kann. Die Wärmeleitung wird durch die offenen Stellen nicht nennenswert behindert, solange die Fläche der Poren kleiner bleibt als der Querschnitt zwischen den Stegen in der Folie.

Wie bereits eingangs erläutert wurde, kann für die Metallfo­ lie anstelle von Kupfer auch Aluminium, Silber, Gold, Nickel, Chrom und dergleichen verwendet werden, wobei für die Füllung der Löcher nicht unbedingt das gleiche Material eingesetzt werden muß wie für die die organische Folie bedeckenden Fil­ me.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 Schnittdarstellungen, die schematisch die Herstel­ lung des erfindungsgemäßen Lotbandes und dessen Verwendung zwischen einem Leistungshalbleiterbau­ element und einem Kühlkörper erläutern;

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Metall­ filmes und einer teilweise mit Kupfer gefüllten Fo­ lie;

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläute­ rung der Gewinnung einer schaumartig vernetzten Struktur mit Kugeln; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung der schaumartig vernetzten Struktur mit­ tels Kugeln.

Eine organische Folie 1 aus PET, Polyimid oder PVC mit einer Schichtdicke d1 zwischen 30 und 100 µm wird einseitig mit ei­ nem dünnen Metallfilm 2 aus vorzugsweise Kupfer mit einer Filmdicke d2 von etwa 1 bis 5 µm kaschiert oder bedampft (vgl. Fig. 1). Anstelle von Kupfer können auch Aluminium, Silber, Gold, Nickel, Chrom und dergleichen verwendet werden. In die Folie 1 werden sodann in dichtem Abstand d4 von 10 bis 30 µm oder darunter Löcher 3 mit einem Durchmesser d3 von 10 bis 30 µm mit Hilfe eines Lasers gebrannt. Die Löcher 3 kön­ nen gegebenenfalls auch mechanisch durch Perforieren oder auf sonstige Weise in die Folie 1 eingebracht werden. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle der in Fig. 1 gezeigten Folie 1 eine bereits mit Löchern perforierte Folie zu verwen­ den und auf diese nachträglich den Film 2 aufzutragen.

In jedem Fall sollten die Löcher 3 an dem Metallfilm 2 oder in diesem Metallfilm 2 enden. Die so erhaltene Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt.

Durch ein galvanisches Verfahren werden sodann die Löcher 3 mit Kupfer gefüllt. Die Galvanik wird solange durchgeführt, bis sich auch auf der dem Film 2 gegenüberliegenden Oberflä­ che der Folie 1 ein weiterer Kupferfilm 4 bildet und oberhalb der nunmehr mit Kupfer gefüllten Löcher 3 wird zusammen­ wächst.

Um das Aufwachsen einer entsprechenden Schicht auf der Unter­ seite des Filmes 2 zu verhindern, kann dieser Film 2 mit ei­ nem Stopplack beschichtet oder mit einer Klebefolie abgedeckt werden. Noch zweckmäßiger ist es aber, in einem galvanischen Bad durch geeignete Anordnung der Elektroden im Elektrolyten dafür zu sorgen, daß auf der Unterseite des Filmes 2 keine Abscheidung von Kupfer erfolgt.

Anstelle von Kupfer kann, wie bereits mehrmals erwähnt wurde, gegebenenfalls auch Aluminium, Silber, Gold, Nickel, Chrom und dergleichen verwendet werden, wobei die Löcher 3 bei­ spielsweise mit Aluminium gefüllt werden können, selbst wenn der Film 2 aus Kupfer besteht. Mit anderen Worten, die Löcher 3 müssen nicht mit dem gleichen Material gefüllt werden, aus welchem der Film 2 gebildet ist. Ebenso kann unter Umständen auch der Film 4 aus einem anderen Material wie das Material der Löcher 3 und/oder das Material des Filmes 2 bestehen.

Schließlich wird die so erhaltene Anordnung auf beiden Seiten mit einer Zinnschicht 5 bzw. 6 mit einer Schichtdicke d5 von 1 bis 5 µm beschichtet. Damit liegt die in Fig. 3 gezeigte Lotfolie vor.

Diese Lotfolie kann sodann mit einem Stanzprozeß in eine ge­ eignete Form konfektioniert und zwischen ein Leistungshalb­ leiterbauelement 7 und einen Kühlkörper 8 gelegt werden. Die Verbindung mit dem Leistungshalbleiterbauelement 7 und dem Kühlkörper 8 wird dabei durch die bereits erwähnten Diffusi­ onslötprozesse mit Hilfe der Zinnschichten 5 und 6 fertigge­ stellt.

Um eine hohe Temperaturfestigkeit zu erreichen, sollte der Rest der organischen Folie nach der Galvanik entfernt werden, was vor dem vollständigen Schließen der Löcher 3 mittels des Kupfers geschehen kann. Dies ist aber nicht zwingend erfor­ derlich, solange genügend offene Stellen vorhanden sind, durch die die organische Folie mittels eines Lösungsmittels, wie beispielsweise Aceton usw., herausgelöst oder thermisch mit einem Sauerstoffplasma verascht werden kann. Jedenfalls wird auf diese Weise ein Lotband 9 erhalten, in welchem die beiden Kupferfilme 2, 4 über die Kupferfüllungen der ehemali­ gen Löcher 3 miteinander verbunden sind, während der Ort der zuvor verbleibenden organischen Folie 1 Hohlräume 10 bildet (vgl. Fig. 4).

Das erfindungsgemäße Lotband kann dünn ausgeführt werden, so daß das Leistungshalbleiterbauelement 7 und der Kühlkörper 8 nahe beieinander angeordnet sind und eine gute Wärmeabfuhr über das die ehemaligen Löcher 3 füllende Kupfer gewährlei­ stet ist. Infolge der Hohlräume 10 kann das erfindungsgemäße Lotband aber auch in hervorragender Weise mechanische Scher­ spannungen elastisch aufnehmen, ohne sich plastisch zu ver­ formen.

In Fig. 5 ist auf einen Metallfilm 2 eine offenporige Folie 11 aufgebracht, die aus Kunststoff, wie beispielsweise Poly­ mer, oder Keramik besteht. Diese offenporige Folie 11 hat ei­ ne schwammartige Struktur mit Hohlräumen 14 und mit Kunst­ stoff- bzw. Keramikbereichen 15.

Die Hohlräume 14 sind zusammenhängend, so daß die gewünschte offenporige Struktur vorliegt, während die Bereiche 15 eben­ falls untereinander vernetzt sind. Diese Vernetzung kann durch Verbindungen der Bereiche 15 in verschiedenen Ebenen geschehen. Da Fig. 5 lediglich einen Schnitt in einer be­ stimmten Ebene zeigt, ist hier die Vernetzung der Bereiche 5 untereinander nicht zu sehen.

Die Folie 11 wird auf den Metallfilm 2 vorzugsweise aufge­ klebt, weshalb sie einseitig mit einem Kleber auf der dem Me­ tallfilm 2 zugewandten Seite beschichtet ist oder selbstkle­ bend sein kann. Die Poren, also Hohlräume 14, haben einen Durchmesser im Bereich zwischen 5 und 20 µm und sind alle miteinander verbunden.

Der auf diese Weise mit der Folie 11 präparierte Metallfilm 2 wird sodann in einem Galvanikbad mit beispielsweise Kupfer oder Nickel metallisiert. Dabei wächst das Metall im Bereich der Hohlräume 14 zu einem vielfach unterbrochenen metalli­ schen Schaum 16 auf, wobei sich die mit dem Metall gefüllten Hohlräume miteinander vernetzen und die Bereiche 15 der Folie 11 aber verhindern, daß eine durch den Schaum 16 gebildete Metallschicht 17 kompakt zusammenwächst.

Durch den geringen Volumenanteil der Bereiche 15 im Verhält­ nis zu dem Volumen der Hohlräume 14 besteht die Metallschicht 17 überwiegend aus Metall. Außerdem ist durch den galvani­ schen Prozeß und die dreidimensionale Vernetzung des Schaumes 16 der Metallschicht 17 sichergestellt, daß diese Metall­ schicht 17 in vertikaler Richtung nirgends unterbrochen ist. Damit sind sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine gute elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht 17 in verti­ kaler Richtung zwischen einem Halbleiterwafer und einem Kühl­ körper gewährleistet, der auf der dem Halbleiterwafer gegen­ überliegenden Oberfläche der Metallschicht 17 mittels einer dünnen Lotschicht mit einer Schichtdicke von 2 bis 5 µm auf­ getragen ist.

Die Metallschicht 17 muß nicht bis zu der Oberkante der Folie 11 aufwachsen. Vielmehr hängt ihre Dicke von der späteren Verwendung des Halbleiterbauelementes ab und kann zwischen 10 und 30 µm liegen.

Nach dem galvanischen Prozeß wird die Folie 11 mittels eines geeigneten Lösungsmittels wie z. B. Azeton entfernt, was ohne weiteres möglich ist, da die Bereiche 15 der Folie 11 eben­ falls wie die Hohlräume 14 ein zusammenhängendes und nach oben offenes Gerüst bilden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen hochtemperaturfesten Lotbandes. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel besteht die "Folie" 11 aus Kugeln 19 oder ku­ gelähnlichen Gebilden unterschiedlicher Größe, die auf dem Metallfilm 2 abgelagert sind. Die Hohlräume 14 zwischen den Kugeln 19 sind, wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 mit Me­ tall gefüllt, so daß eine zusammenhängende Metallschicht 17 vorliegt.

Nach Herstellung der Metallschicht 17 werden die Kugeln 19 durch ein Lösungsmittel entfernt, was ohne weiteres möglich ist, da die Kugeln 19 aneinandergrenzen und somit ein zusammenhängendes Gerüst bilden. Schließlich wird auf die Metall­ schicht 17 noch eine dünne Lotschicht 20 mit einer Schicht­ dicke von 2 bis 5 µm aufgetragen, auf der dann ein Kühlkörper 21 aus beispielsweise Kupfer angebracht werden kann.

Das Entfernen der Folie 11 bzw. der Kugeln 19 ist nicht er­ forderlich, wenn für diese ein hochtemperaturfestes Material, wie beispielsweise Keramik, Glas oder Halbleiter verwendet wird.

Fig. 7 zeigt noch eine Vorrichtung zur Herstellung der hochtemperaturfesten Lotverbindung von Fig. 6: in einem Gal­ vanikbad 12 befindet sich ein Rührer 13, mit dem die Kugeln 19 zunächst aufgewirbelt werden, bevor sie sich nach Abschal­ ten des Rührers 13 auf dem Metallfilm 2 ablagern.

Durch Verwendung von Kugeln unterschiedlicher Größe kann eine entsprechende Strukturierung der Metallschicht 17 erhalten werden, da größere Kugeln 19 bevorzugt nach unten absinken und sich die kleinen Kugeln in den unteren Zwischenräumen zwischen den großen Kugeln ablagern. Nach Abschalten des Rüh­ rers 13 wird mittels Elektroden 24, 25 die galvanische Ab­ schaltung von Kupfer oder Nickel zur Bildung der Metall­ schicht 7 vorgenommen.

Claims (22)

1. Lotband für flexible und temperaturfeste Lotverbindun­ gen, insbesondere zur Verbindung eines Leistungshalbleiter­ bauelementes (7) mit einem Kühlkörper (8), gekennzeichnet durch eine vielfach unterbrochene Metallfolie (9), die beidseitig mit einem Lotfilm (5, 6) belegt ist.

2. Lotband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie aus Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Nic­ kel, Chrom oder dergleichen besteht.

3. Lotband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie aus mehreren der genannten Materialien besteht.

4. Lotband nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (9) aus zwei voneinander beabstandeten Metallfilmen (2, 4) besteht, die miteinander über Stege ver­ bunden sind.

5. Lotband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stegen Hohlräume (10) vorgesehen sind.

6. Lotband nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilme (2, 4) in einem Abstand (d1) von 30 bis 100 µm voneinander angeordnet sind.

7. Lotband nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilme (2, 4) eine Schichtdicke (d2) von 1 bis 5 µm aufweisen.

8. Lotband nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d3) der Stege zwischen 10 und 30 µm liegt.

9. Lotband nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d4) zwischen den Stegen unter 10 bis 30 µm beträgt.

10. Lotband nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke (d5) der Lotfilme (5, 6) 1 bis 5 µm be­ trägt.

11. Lotband nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (10) mit Kunststoff gefüllt sind.

12. Lotband nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polyethylentetrafluorid, Polyimid oder Po­ lyvinylchlorid ist.

13. Lotband nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (9) aus einem Metallschaum (16) besteht.

14. Verfahren zum Herstellen des Lotbandes nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) einseitiges Belegen einer organischen Folie (1) mit ei­ nem dünnen Metallfilm (2),
• b) Einbringen von Löchern (3) in die organische Folie (1) bis zu dem Metallfilm (2) bzw. in diesen hinein,
• c) galvanisches Auffüllen der Löcher (3) mit Metall und darüber hinaus, bis sich auf der dem Metallfilm (2) gegen­ überliegenden Oberfläche der organischen Folie (1) ein weite­ rer Metallfilm (4) bildet und zusammenwächst,
• d) Beschichten der so erhaltenen Anordnung auf beiden Sei­ ten mit einem Lotfilm (5, 6).

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende organische Folie (1) zur Bildung von Hohlräumen (10) entfernt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der verbleibenden organischen Folie mittels eines Lösungsmittels oder durch thermische Veraschung er­ folgt.

17. Verfahren zum Herstellen des Lotbandes nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) Auftragen einer offenporigen Folie (13) auf einen Me­ tallfilm (2),
• b) Füllen der Hohlräume der Folie (11) mit Metall und
• c) Auftragen einer Lotschicht (20) auf die mit Metall ge­ füllte Folie (11).

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß für die Folie (13) Kunststoff oder Keramik verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (13) aus Kugeln oder Körnern (19) gebildet ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (19) mit unterschiedlicher Größe versehen wer­ den.

21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 19 oder 20, gekennzeichnet durch eine Galvanikeinrichtung (12) mit einem Rührer (13), durch den die Kugeln (19) vor ihrer Absetzung auf dem Metallfilm (2) aufwirbelbar sind.

22. Verwendung des Lotbandes nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verbindung eines Leistungshalbleiterbauelementes (7) oder Chips mit einem Kühlkörper (8) bzw. einem Substrat.