DE10117797C2 - Montagevorrichtung und Verfahren zum Aufbau eines elektronischen Bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Montagevorrichtung für ein elektronisches Bauteil, wo­ bei das elektronische Bauteil mindestens ein Halbleiterelement umfasst, das auf seiner Unterseite und auf seiner Oberseite mit jeweils einem Schaltungsträger flä­ chig kontaktiert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbau eines solchen elektronischen Bauteils mit Hilfe einer derartigen Montagevorrichtung.

Viele Leistungshalbleiter müssen sowohl auf der strukturierten Oberseite als auch auf der Unterseite elektrisch kontaktiert werden. Die elektrische Kontaktierung der Unterseite erfolgt in der Regel durch einen sogenannten "die attach"-Prozess. Da­ bei wird das Halbleiterelement durch töten oder Kleben auf eine elektrisch leitfä­ hige Unterlage, beispielsweise auf ein Substrat, einen Kühlkörper oder ein Stanz­ gitter, montiert. Die Kontaktierung der Oberseite erfolgt meistens durch einen Drahtbond-Prozess. Dabei werden vor allem Aluminiumdrähte durch Ultraschall­ schweißen auf dem Halbleiterelement befestigt, zu der elektrisch leitfähigen Un­ terlage geführt und dort ebenfalls in einem Drahtbond-Prozess befestigt.

Für die in der Leistungselektronik zu schaltenden Ströme müssen pro Halbleiter­ element ca. drei bis sechs Bondbrücken gesetzt werden. Dies ist zum einen mit einem erheblichen Platzverbrauch für die Bondlands auf dem Halbleiterelement verbunden und zum anderen mit einer relativ hohen Fehleranfälligkeit bzw. Aus­ fallrate. Außerdem handelt es sich beim Aluminiumdrahtbonden um einen Einzel­ verbindungsprozess, was zu erheblichen Prozesszeiten bei der Herstellung der­ artiger elektronischer Bauteile insbesondere bei Großserienfertigung führt. Schließlich sei noch erwähnt, dass Bondbrücken in der Leistungselektronik nicht zu vernachlässigende Streuinduktivitäten verursachen.

In der internationalen Veröffentlichung WO 98/15005 A1 wird eine Sandwich-Bau­ weise für elektronische Bauteile beschrieben, die ohne die voranstehend be­ schriebenen Bondbrücken auskommt. Dazu wird der Leistungshalbleiter auf seiner Unterseite und auf seiner Oberseite flächig mit einem Schaltungsträger kontaktiert.

Sowohl für die Fertigstellung eines solchen elektronischen Bauteils als auch für seinen Einbau in einem Gerät sollten die beiden Schaltungsträger mit möglichst geringen Toleranzen parallel zueinander orientiert sein. Die dafür erforderliche Justierung der beiden Schaltungsträger erweist sich in der Praxis als problema­ tisch.

Aus der Druckschrift DE 35 33 159 A1 sowie der US-PS 6,069,027 sind jeweils Montagevorrichtungen zur Herstellung eines elektronischen Bauteiles bekannt, bei denen ein Halbleiterelement auf seiner Unter- und seiner Oberseite jeweils mit einem Schaltungsträger flächig kontaktiert wird. Mittels dieser Montagevorrichtungen wird jeweils auch eine mechanische Kontaktierung erhalten und es besteht eine Justiermöglichkeit in Form von Ausnehmungen in den Pressformen.

Aus der DE 693 00 723 T2 sind Verfahren bzw. Werkzeuge zum Herstellen von Leistungshalbleiter-Bauteilen mit einem sog. "Sandwich-Design" bekannt, bei denen V- förmige Ausnehmungen zum Positionieren des Chips der Leistungshalbleiter-Bauteile vorhanden sind. Damit wird eine mechanische Fixierung des Halbleiterchips zwischen zwei als Wärmesenken dienenden Elementen erhalten.

Aus der US-PS 4,958,214 ist eine weitere Montagevorrichtung für ein elektronisches Bauteil in einem "Sandwich-Schutzgehäuse" bekannt, bei dem eine Positionierung des Bauteils auf einem ersten Träger in X- und Y-Richtung durch Positionierstifte erreicht wird. Die Positionierung des ersten Trägers zu einem zweiten Träger erfolgt über Indexerlöcher in den Trägern und Justierstifte. Diese bekannte Montagevorrichtung kann jedoch eine optimale Herstellung von elektronischen Bauteilen noch nicht sicher stellen.

Auch aus der DE 34 06 528 A1 ist ein Leistungshalbleiter­ modul in Sandwichbauweise bekannt, wobei Zentrierstifte durch die Decke eines Trägers das Halbleiterbauelement beim Montieren haltern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Montagevorrichtung für ein elektroni­ sches Bauteil in Sandwich-Bauweise vorzuschlagen, mit der sich die beiden Schaltungsträger während des Aufbaus des elektronischen Bauteils einfach ge­ geneinander justieren lassen.

Die erfindungsgemäße Montagevorrichtung umfasst dazu eine erste untere Schale mit einer Aufnahme für den ersten der beiden Schaltungsträger, Mittel zum defi­ nierten Ausrichten des ersten Schaltungsträgers in der Aufnahme und eine zweite obere Schale mit Mitteln zum Justieren des zweiten auf dem Halbleiterelement angeordneten Schaltungsträger.

Des Weiteren wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Aufbau eines solchen elektronischen Bauteils mit Hilfe einer derartigen Montagevorrich­ tung vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird der erste Schaltungsträger in der Auf­ nahme der ersten Schale der Montagevorrichtung angeordnet und mit Hilfe von Justierstiften, die von der Seitenwandung der Aufnahme abragen, und mindestens einem entsprechend angeordneten und gelagerten Positionierstift in x- und y- Richtung, d. h. in der Ebene des ersten Schaltungsträgers, definiert ausgerichtet. Das Halbleiterelement wird auf dem ersten Schaltungsträger positioniert, und der zweite Schaltungsträger wird über dem Halbleiterelement auf der ersten Schale positioniert. Dann wird der erste Schaltungsträger mit Hilfe von Justierstiften, die von der Bodenwandung der Aufnahme abragen, und mindestens zwei an der zweiten Schale angeordneten und gelagerten Niederhaltern in z-Richtung, d. h. senkrecht zu der Ebene des ersten Schaltungsträgers, definiert ausgerichtet. Der zweite Schaltungsträger wird in x- und y-Richtung justiert, indem an der zweiten Schale angeordnete Justierstifte durch Indexerlöcher im zweiten Schaltungsträger geführt und in entsprechenden Ausnehmungen in der ersten Schale positioniert werden. In z-Richtung wird der zweite Schaltungsträger justiert, indem die erste Schale und die zweite Schale gegeneinander gepresst werden.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Montagevorrichtung nicht nur zum gegenseitigen Justieren der beiden Schaltungsträger zueinander sondern auch als Werkstückträger bei den Verbindungsprozessen, wie z. B. beim Löten oder Kleben, eingesetzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Montagevorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen nicht nur eine einfache und gleichzeitig sehr präzise Justierung der beiden Schaltungsträger eines in Sandwich-Bauweise aufgebauten elektronischen Bauteils, sondern auch eine individuelle Ausgestaltung des elektronischen Bau­ teils, was seine Ausmaße und seine äußere Form betrifft. So lässt sich ein mit den erfindungsgemäßen Mitteln aufgebautes elektronisches Bauteil je nach Art seines endgültigen Einbauorts in einfacher Weise prozesssicher molden oder hermetisie­ ren. Es ist ferner möglich, das elektronische Bauteil von seinen Ausmaßen her verträglich mit den in der internationalen Norm für Standardplastikverpackungen von elektronischen Bauteilen JEDEC-95 niedergelegten SMT (Surface Mount Technology)-Bauformen zu gestalten. Der Fertigungsprozess im Back-End ist identisch mit der Herstellung eines standardisierten Power-Gehäuses. Für die Weiterverarbeitung stehen somit die üblicherweise eingesetzten Prozesse, wie z. B. die Oberflächenmontagetechnik oder SMT, zur Verfügung. Darüber hinaus können aber auch Schaltungsträger verwendet werden, deren Geometrie eine an­ dere Montage des elektronischen Bauteils ermöglicht. So eignet sich die erfin­ dungsgemäße Montagevorrichtung besonders zur Justierung von Schaltungsträ­ gern in Form von Stanzgittern. Durch inneres und/oder äußeres Fusen der Ver­ bindungsstege derartiger Stanzgitter können die unterschiedlichsten Geometrien erzeugt werden, die beispielsweise eine Montage durch Löten, Schweißen, Nieten oder Schrauben erlauben.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Montagevorrichtung und die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dazu wird einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 6 nachge­ ordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Montagevor­ richtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der in der einzigen Figur dargestellten Montagevorrichtung 1 handelt es sich um eine Montagevorrichtung für ein elektronisches Bauteil mit mindestens einem Halbleiterelement 30, das auf seiner Unterseite und auf seiner Oberseite mit je­ weils einem Schaltungsträger 31 und 32 flächig kontaktiert wird. Der Aufbau eines derartigen elektronischen Bauteils in Sandwich-Bauweise wird nachfolgend in Verbindung mit der Montagevorrichtung 1 näher erläutert.

Die Montagevorrichtung 1 umfasst eine erste untere Schale 10 mit einer Auf­ nahme 11 für den ersten der beiden Schaltungsträger 31. Des Weiteren sind Mittel zum definierten Ausrichten des ersten Schaltungsträgers 31 in der Aufnahme 11 vorgesehen. Schließlich umfasst die Montagevorrichtung 1 noch eine zweite obere Schale 20 mit Mitteln zum Justieren des zweiten auf dem Halbleiterelement 30 angeordneten Schaltungsträger 32.

Zum Ausrichten des in der Aufnahme 11 angeordneten ersten Schaltungsträgers 31 in x- und y-Richtung, d. h. in der Ebene des ersten Schaltungsträgers 31, sind mehrere erste Justierstifte 12 vorgesehen, von denen hier nur einer dargestellt ist. Die ersten Justierstifte 12 ragen von der Seitenwandung der Aufnahme 11 ab. Außerdem sind zwei Positionierstifte 13 vorgesehen, von denen hier nur einer dargestellt ist. Die Positionierstifte 13 sind so in der ersten Schale 10 angeordnet und gelagert, dass sie den ersten Schaltungsträger 31 gegen die ersten Justier­ stifte 12 drücken. Dazu können die Positionierstifte 13 beispielsweise federnd oder in einem Schraubgewinde gelagert sein.

Zum Ausrichten des ersten Schaltungsträgers 31 in z-Richtung, d. h. senkrecht zu der Ebene des ersten Schaltungsträgers 31, sind mehrere zweite Justierstifte 14 vorgesehen, die von der Bodenwandung der Aufnahme 11 abragen. An der zwei­ ten Schale 20 sind mehrere Niederhalter 21 angeordnet und so gelagert, dass sie den ersten Schaltungsträger 31 gegen die zweiten Justierstifte 14 drücken. Wie die Positionierstifte 13 können die Niederhalter 21 federnd oder auch in einem Schraubgewinde gelagert sein.

Zum Justieren des zweiten auf dem Halbleiterelement 30 angeordneten Schal­ tungsträgers 32 umfasst die zweite Schale 20 mindestens zwei Justierstifte 22, die durch dafür vorgesehene Indexerlöcher 33 im zweiten Schaltungsträger 32 geführt und in entsprechenden Ausnehmungen 15 der ersten Schale 10 positioniert wer­ den. Mit Hilfe der Justierstifte 22 erfolgt die Ausrichtung des zweiten Schaltungs­ trägers 32 in x-/y-Richtung.

Zur Ausrichtung des zweiten Schaltungsträgers 32 in z-Richtung sind Mittel zum Anpressen, insbesondere Mittel zum Verschrauben, der ersten Schale 10 mit der zweiten Schale 20 vorgesehen, die in der einzigen Figur allerdings nicht darge­ stellt sind.

Wie bereits erwähnt, können die beiden Schaltungsträger eines in Sandwich-Bau­ weise aufgebauten elektronischen Bauteils in vorteilhafter Weise in Form von Stanzgittern realisiert werden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann zunächst das untere Stanzgitter 31 in die Aufnahme 11 der ersten Schale eingelegt. Mit Hilfe der ersten Justierstifte 12, die von der Seitenwandung der Aufnahme 11 abragen, und mit Hilfe der beiden Positionierstifte 13 wird das untere Stanzgitter 31 in x- und y- Richtung definiert ausgerichtet.

Für den "die attach"-Prozess muss das untere Stanzgitter 31 mit einem geeigne­ ten Verbindungsmittel 34, wie z. B. Lotpaste oder Klebstoff, versehen werden. Vor dem Einlegen des Stanzgitters 31 in die Aufnahme 11 der unteren Schale 10 kann hierfür das Schablonendruckverfahren angewandt werden. Das untere Stanzgitter kann aber auch erst nach dem Einlegen in die Aufnahme 11 der unteren Schale 10 mit dem Verbindungsmittel 34 versehen werden, beispielsweise durch Dispen­ sen von Lotpaste. Anschließend wird das Halbleiterelement 30 auf dem unteren Stanzgitter 31 positioniert. Das Verbindungsmittel 35 zwischen Halbleiterelement 30 und oberem Stanzgitter 32 kann entweder auf die Oberseite des Halbleiterele­ ments 30 aufgebracht werden oder auf die Unterseite des oberen Stanzgitters 32. Im erstgenannten Fall erweist es sich als vorteilhaft, das Verbindungsmittel 35 vor der Positionierung des Halbleiterelements 30 auf die Oberfläche des Halbleiter­ elements 30 aufzutragen.

Dann wird das obere Stanzgitter 32 auf das Halbleiterelement 30 und die untere Schale 10 aufgelegt. Das obere Stanzgitter 32 muss so gestaltet sein, dass die zu kontaktierenden Flächen in x- und y-Richtung genau über den zu kontaktierenden Flächen des Halbleiterelements 30 liegen. Als Justierhilfe sind im oberen Stanz­ gitter 32 sogenannte Indexerlöcher 33 ausgebildet. Die Justierung des oberen Stanzgitters 32 in x- und y-Richtung erfolgt mit Hilfe der an der oberen Schale an­ geordneten Justierstifte 22, die über die Indexerlöcher 33 in entsprechende Aus­ nehmungen 15 der ersten Schale 10 eingreifen.

Die Ausrichtung des unteren Stanzgitters 31 in z-Richtung erfolgt erst nach der Anordnung des oberen Stanzgitters 32 auf dem Halbleiterelement 30 und der un­ teren Schale 10 mit Hilfe der an der oberen Schale 20 angeordneten Niederhalter 21. Diese durchdringen das obere Stanzgitter 32 und drücken das untere Stanz­ gitter 31 gegen die Justierstifte 14, die von der Bodenwandung der Aufnahme 11 in der ersten Schale 10 abragen. Die Justierung des oberen Stanzgitters 32 in z- Richtung erfolgt durch Anpressen bzw. Verschrauben der oberen Schale 20 mit der unteren Schale 10.

Aufgrund der Justierung der beiden Stanzgitter 31 und 32 in allen drei Raumrich­ tungen kann sich nach dem Aufschmelzen des Lots oder dem Aushärten des Klebstoffs lediglich das Halbleiterelement 30 zwischen den beiden Stanzgittern 31 und 32 bewegen, was genau wie die Positionierung des Halbleiterelements 30 auf dem unteren Stanzgitter 31 unkritisch ist. Bedingt durch die Oberflächenspannung des flüssigen Verbindungsmittels bilden sich homogene Verbindungsschichten 34 und 35 aus, deren Dicken von der Menge des jeweiligen Auftrags abhängen.

Die erfindungsgemäße Montagevorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen die Realisierung von elektronischen Bauteilen in Sandwich-Bauweise mit zwei Schaltungsträgern in Form von Stanzgittern und mit Löten oder Kleben als Verbindungsprozess. Mit der Erfindung werden einfache Maßnahmen zur Verfügung gestellt, mit denen die beiden Stanzgitter während des Verbindungs­ prozesses vorzugsweise parallel zueinander justiert werden können. Eine solche parallele Orientierung der beiden Stanzgitter mit möglichst geringen Toleranzen ist beispielsweise erforderlich, wenn das elektronische Bauteil nach der Montage gemoldet werden soll und/oder zur beidseitigen Kühlung in ein elektrisches Gerät eingebaut werden soll.

Abschließend sei jedoch darauf hingewiesen, dass mit Hilfe der erfindungsgemä­ ßen Montagevorrichtung je nach Ausgestaltung der beiden Schalen und insbe­ sondere der Aufnahme in der unteren Schale grundsätzlich auch andere definierte Orientierungen zwischen den beiden Schaltungsträgern eines elektronischen Bauteils realisiert werden können.

Claims (10)

1. Montagevorrichtung (1) zum Zusammenbau eines elektronischen Bauteils dessen Oberseite und Unterseite jeweils mit einem Schaltungsträger (31, 32) elektrisch flächig kontaktiert werden mit:
einer ersten unteren Schale (10) mit einer Aufnahme (11) für den ersten Schaltungsträger (31) und mit ersten Justierstiften (12), die von der Seitenwand der Aufnahme (11) abragen, und mit mindestens einem von der Seitenwand der Aufnahme (11) abragenden ersten Positionierstift (13) zum definierten Ausrichten des ersten Schaltungsträgers (31) in x- und y-Richtung, d. h. in der Ebene des ersten Schaltungsträger (31), indem der Positionierstift (13) den Schaltungsträger (31) gegen die ersten Justierstifte (12) drückt, und mit zweiten Justierstiften (14) am Boden der Aufnahme (11) zur Justage des ersten Schaltungsträgers (31) in z-Richtung, d. h. in der Ebene senkrecht zum ersten Schaltungsträger (31),
einer zweiten oberen Schale (20) mit dritten Justierstiften (22), die mittels Indexerlöchern (33) im zweiten Schaltungsträger (32) diesen in x- und y-Richtung ausrichten, und mit mindestens einem Niederhalter (21), der den ersten Schaltungsträger (31) gegen die zweiten Justierstifte (14) an der unteren ersten Schale (10) drückt und damit in z-Richtung ausrichtet.

2. Montagevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Anpressen, insbesondere Mittel zum Verschrauben, der ersten Schale (10) mit der zweiten Schale (20) vorgesehen sind.

3. Verfahren zum Zusammenbau eines elektronischen Bauteiles dessen Oberseite und Unterseite jeweils mit einem Schaltungsträger elektrisch flächig kontaktiert werden mit den Schritten:

• - Bereitstellen eines Halbleiterbauelements mit einer Oberseite und einer Unterseite, die beide jeweils flächig zu kontaktieren sind, und Bereitstellen eines ersten Schaltungsträgers (31) und eines zweiten Schaltungsträger (32), wobei der zweite Schaltungsträger mit Indexlöchern (33) zur Justierung versehen ist,
• - Bereitstellen einer Montagevorrichtung (1) mit
• - einer ersten unteren Schale (10) mit einer Aufnahme (11) für den ersten Schaltungsträger (31) und mit ersten Justierstiften (12), die von der Seitenwand der Aufnahme (11) abragen, und mit mindestens einem von der Seitenwand der Aufnahme abragenden ersten Positionierstift (13) zum definierten Ausrichten des ersten Schaltungsträgers (31) in x- und y-Richtung, d. h. in der Ebene senkrecht zum ersten Schaltungsträger, indem der Positionierstift (13) den Schaltungsträger (31) gegen die ersten Justierstifte (12) drückt, und mit zweiten Justierstiften (14) am Boden der Aufnahme (11) zur Justage des ersten Schaltungsträgers (31) in z-Richtung.
• - einer zweiten oberen Schale (20) mit zweiten Justierstiften (22), die mit Hilfe von Indexlöchern (33) im zweiten Schaltungsträger (32) diesen in x- und y-Richtung ausrichten, und mit mindestens einem Niederhalter (21), der den ersten Schaltungsträger (31) gegen dritte Justierstifte (14) an der unteren ersten Schale (10) drückt und damit in z-Richtung ausrichtet.
• - Anordnen der ersten Schaltungsträger (31) in der Aufnahme (11),
• - Ausrichten der ersten Schaltungsträger (31) in der x- und y-Richtung, indem die Positionierstifte (13) den Schaltungsträger (31) an die ersten Justierstifte (12) drückt,
• - Befestigen des Halbleiterbauelements (30) auf dem ersten Schaltungsträger (31),
• - Positionieren des zweiten Schaltungsträgers (32) über dem Haltleiterelement (30) auf der ersten Schale (10),
• - Ausrichten des ersten Schaltungsträgers (31) mit Hilfe von Justierstiften (14), die von der Bodenwandung der Aufnahme (11) abragen, und mindestens zwei an der zweiten Schale (20) angeordneten und gelagerten Niederhaltern (21) in z-Richtung, d. h. senkrecht zu der Ebene des ersten Schaltungsträgers (31),
• - Justieren des zweiten Schaltungsträgers (32) in x- und y-Richtung, indem an der zweiten Schale (20) angeordnete Justierstifte (22) durch die Indexerlöcher (33) des zweiten Schaltungsträgers (32) geführt und in entsprechenden Ausnehmungen (15) in der ersten Schale (10) positioniert werden, und
• - Justieren des zweiten Schaltungsträgers (32) in z-Richtung, indem die erste Schale (10) und die zweite Schale (20) gegeneinander gepresst werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsträger (31) vor dem Anordnen in der Aufnahme (11) mit einem Verbindungsmittel (34), insbesondere Lotpaste oder Klebstoff, versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (34) durch Schablonendruck auf den ersten Schaltungsträger (31) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsträger (31) nach dem Anordnen in der Aufnahme (11) mit einem Verbindungsmittel (34), insbesondere Lotpaste oder Klebstoff, versehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (34) durch Dispensen auf den ersten Schaltungsträger (31) aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Halbleiterelements (30) mit Verbindungsmittel (35) versehen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des zweiten Schaltungsträgers (32) mit Verbindungsmitteln (35) versehen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schale (10) und die zweite Schale (20) miteinander verschraubt werden.