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Die
Erfindung betrifft eine unebene Oberfläche, auf die eine Materialschicht
reproduzierbar aufgetragen werden soll, insbesondere ein Verfahren zum
Auftragen der Materialschicht.
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Kontrolliert
aufgebrachte Schichten werden insbesondere bei Leistungshalbleitermodulen
verwendet. Leistungshalbleitermodule mit und ohne Bodenplatte müssen die
in den Modulen entstehende Verlustleistung an ein anderes Medium,
vorzugsweise einen Kühlkörper, abführen. Anderenfalls
könnte die
maximale Sperrschichttemperatur der in dem Modul vorhandenen Bauelemente überschritten
werden.
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Üblicherweise
wird das Leistungshalbleitermodul mit einer Wärmeleitpaste an den Kühlkörper thermisch
angebunden. Sowohl Unebenheiten der Bodenplatte des Moduls als auch
Oberflächenrauhigkeiten
des Kühlkörpers werden
mit Hilfe der Wärmeleitpaste
ausgeglichen. Bisher wird die Wärmeleitpaste
mit einem Pinsel oder einer Rolle auf das Modul oder auf dem Kühlkörper vor
der Montage aufgetragen.
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Alternativ
zu einer Wärmeleitpaste
kann auch eine Wärmeleitfolie
zur thermischen Anbindung zwischen Leistungshalbleitermodul und
Kühlkörper eingesetzt
werden. Die Wärmeleitfolie
wird vor der Montage zwischen den Kühlkörper und das Modul eingelegt.
Ein Nachteil bei Wärmeleitfolien
ist hierbei die geringere Wärmeleitfähigkeit
gegenüber
Wärmeleitpasten.
Der Auftrag einer auch Huckel und Unebenheiten ausgleichenden Schicht
Wärmeleitpaste mit
einem Pinsel oder einer Rolle ist jedoch nicht reproduzierbar.
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In
der
DE 103 20 186
A1 wird auf Siebdruckverfahren zum homogenen Auftrag von
Wärmeleitpasten
hingewiesen. Eine dabei eingesetzte Schablone zum homogenen Schichtauftrag
ist in
1 gezeigt. Die Schablone
10 weist gleichmäßig angeordnete quadratische
oder rechteckige Öffnungen
auf, die durch Stege
11 voneinander beabstandet sind. Die
Länge
12 bzw.
Breite
13 der gleichartigen Öffnungen beträgt bei einem
Einsatz der Schablone bei Leistungshalbleiterbauelementen üblicherweise
zwischen 4,5 und 6,5 mm. Die Stegbreite
11 beträgt üblicherweise
1 bis 1,5 mm.
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Die
Oberfläche
einer Bodenplatte eines aufgespannten bzw. montierten Leistungshalbleitermoduls
ist beispielhaft in 2 als dreidimensionaler Graph
abgebildet. Die Länge 21 des
Ausschnittes der in dieser Abbildung nicht dargestellten Bodenplatte beträgt 10 cm,
die Breite 22 beträgt
14 cm, wobei das Höhenprofil 25 der
Bodenplatte auf einer Skala 29 von –17,7 bis 14,7 μm aufgetragen
ist. Deutlich zu erkennen ist, dass das Höhenprofil 25 einen
tiefsten Punkt 27 und ein Maximum 26 mit einer
Höhendifferenz
von ca. 32 μm
aufweist. Der Zweck der auf der Oberfläche 25 der Bodenplatte 2 aufzubringenden Wärmeleitpaste 40 ist
es nun, einen möglichst
geringen thermischen Übergangswiderstand
zwischen der Bodenplatte 2 und einem (nicht gezeigten)
Kühlkörper herzustellen.
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Ein
homogener Schichtauftrag mit der in 1 gezeigten
Schablone löst
diese Aufgabe allerdings nur teilweise, da unterschiedliche Abstände zwischen
der Bodenplatte und dem Kühlkörper durch eine
Wärmeleitpaste
konstanter Dicke nicht ausgeglichen werden. Im Fall der 2 kann
es bei einem homogenen Schichtauftrag mittels der in 1 gezeigten
Siebdruckschablone 10 mit einer Dicke, die kleiner ist
als der Abstand zwischen Maximum 26 und Minimum 27 dazu
kommen, dass sich am Minimum 27 der Bodenplattenoberfläche 25 eine
Luftblase zwischen der Bodenplatte und dem (nicht gezeigten) Kühlkörper bildet.
Eine homogene Dicke der Wärmeleitpaste 40,
die größer ist
als der Abstand zwischen dem Maximum 26 und Minimum 27 führt hingegen
zu einem übermäßigen Schichtauftrag
auf anderen Bereichen der Bodenplattenoberfläche 25. Ein vergrößerter thermischer Übergangswiderstand
zwischen der Boden platte 2 und dem oberhalb der Bodenplatte 2 angeordneten
Kühlkörper in
diesen Bereichen ist die Folge.
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Aus
der
DE 103 43 502
A1 ist es bekannt, eine Wärmeleitpaste auf eine insbesondere
unebene Wärmeableitfläche eines
Leistungshalbleitermoduls unter Verwendung einer Schablone aufzutragen,
die mit unterschiedlich großen Öffnungen
versehen ist, so dass die Menge der aufzutragenden Wärmeleitpaste
lokal variiert werden kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren
zum Aufbringen einer Materialschicht auf einer unebenen Oberfläche bereitzustellen,
wobei die Materialschicht eine ebene Oberfläche auf der unebenen zu beschichtenden
Oberfläche
ausbildet und die Schichtdicke so groß wie notwendig und so klein
wie möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bei
diesem Verfahren wird eine Wärmeleitpaste
auf eine unebene Oberfläche einer
Bodenplatte eines auf einen Kühlkörper aufspannbaren
Leistungshalbleitermoduls aufgebracht. Dabei wird ein Höhenprofil
ermittelt, welches die unebene Oberfläche bei aufgespanntem Leistungshalbleitermodul
aufweist. Basierend auf dem Höhenprofil wird
ein Schichtdickenprofil der auf die unebene Oberfläche aufzutragenden
Wärmeleitpaste
ermittelt. Die unebene Oberfläche
wird in ein Raster mit einer Vielzahl von Rasterelementbereichen
eingeteilt. Rasterelementbereiche, in denen die unebene Oberfläche innerhalb
eines vorgegebenen Höhenbandes liegt,
werden zu einem zusammenhängenden
Bereich zusammengefasst. Außerdem
wird eine Berechnungsschablonendicke einer herzustellenden Schablone
zum Auftragen der Wärmeleitpaste
festgelegt. Dabei ist die Berechnungsschablonendicke identisch mit
der Dicke der herzustellenden Schablone, oder aber nicht identisch
ist mit der Dicke der herzustellenden Schablone, sondern größer oder
kleiner als die Dicke der herzustellenden Schablone. Die herzustellende
Schablone weist wenigstens zwei Öffnungen
auf, deren Öffnungsquerschnittsflächen ermittelt
werden. Dabei ist die Öffnungsquerschnittsfläche jeweils
gegeben durch den Quotienten des aus dem Schichtdickenprofil ermittelten
Volumens der in dem zusammenhängenden
Bereich aufzutragenden Wärmeleitpaste
und der Berechnungsschablonendicke der herzustellenden Schablone.
Das Auftragen einer Wärmeleitpaste
auf die unebene Oberfläche
erfolgt unter Verwendung einer Schablone, die die Dicke der herzustellenden
Schablone sowie wenigstens zwei Öffnungen
mit der jeweils ermittelten Querschnittsfläche aufweist.
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Somit
verfügt
die Schablone über
mehrere Öffnungen
mit unterschiedlichen Querschnittsflächen. Die Anordnung der Öffnungen
auf der Schablone und die Querschnittsflächen der Öffnungen werden derart aus
der zu bedeckenden Oberfläche
hergeleitet, dass die Schicht auf der unebenen Oberfläche eine
vorgegebene Schichtdicke zwischen Modulbodenplatte und Kühlkörper nach
dem Anschrauben des Moduls nicht unterschreitet.
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Das
Höhenprofil
der zu bedeckenden Oberfläche
wird messtechnisch erfasst und in unterschiedliche Flächenabschnitte
mit im Wesentlichen konstanter Schichtdicke eingeteilt. Die Querschnittsfläche jeder Öffnung ist
proportional zu jeweils einem Flächenabschnitt
von im Wesentlichen konstanter Schichtdicke sowie dem Kehrwert der
Schablonendicke. Die erfindungsgemäße Schablone erfährt also eine
individuelle Anpassung an das Höhenprofil
der zu bedeckenden Oberfläche.
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Neben
einem homogenen Schichtauftrag ist es mit der erfindungsgemäßen Schablone
möglich, unterschiedliche
Mengen an Wärmeleitpaste
an unterschiedlichen Stellen auf der zu bedeckenden unebenen Oberfläche 25 der
Bodenplatte 2 wiederholbar zu platzieren. Ein Kontakt zwischen
Modul und Kühlkörper mit
minimiertem thermischen Übergangswiderstand
wird erreicht und Stellen, an denen sich Lufteinschlüsse bilden
können,
werden mit Wärmeleitpaste
aufgefüllt.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem möglichst
dünnem
Auftrag der Wärmeleitpaste
zwischen Bodenplatte 2 und Kühlkörper. Da die Wärmeleitfähigkeit
von Folien und Pasten schlecht ist gegenüber der von Kupfer und Aluminium,
wird eine minimierte Schichtdicke der Wärmeleitpaste zwischen Bodenplatte
und Kühlkörper angestrebt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Schichtauftrag wird die Wärmeleitpaste
in geeigneter Menge lediglich an denjenigen Stellen dicker aufgetragen,
wo diese benötigt
wird. Ein fehlender bzw. übermäßiger Schichtauftrag
zwischen Bodenplatte und Kühlkörper wird
vermieden.
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Öffnungsquerschnitte
in der Schablone mit einfachen geometrischen Formen, beispielsweise Kreise
oder Langlöcher,
sind vorteilhaft, da der Berechnungsaufwand für die Auslegung der Querschnittsflächen und
der Herstellungsaufwand (Fräsen,
Schneiden etc.) gegenüber
einer beliebigen Querschnittsform geringer ausfallen. Auch andere Formen
für die Öffnungen
der Schablone sind möglich.
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Um
einen über
die abzudeckende Oberfläche 25 vollständigen Schichtauftrag
einer Wärmeleitpaste 40 zu
gewährleisten,
kann die bei der Berechnung der Öffnungsquerschnittsflächen herangezogene
Schablonendicke größer gewählt werden
als diejenige der nachfolgend hergestellten Schablone. Alternativ
kann auch die hergestellte Schablonendicke größer gewählt werden als die zur Berechnung
der Öffnungsquerschnittsflächen herangezogene
Schablonendicke. Üblich
sind Sicherheitszugaben bei der Schablonendicke von ca. 1/5 der
Ausgangsschablonendicke. Mögliche
Absolutwerte bei den Sicherheitszugaben zu der Ausgangsschablonendicke
liegen im Bereich von 20 μm.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten
Beispiele näher
erläutert.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche
Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleicher Bedeutung. Es ist:
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1 eine
Draufsicht auf eine herkömmliche Schablone
mit gleichartigen und gleichmäßig verteilten Öffnungen,
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2 ein
räumliche
Darstellung einer Oberflächenstruktur
einer Bodenplatte eines Leistungshalbleiterbauelementes,
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3a ein
Höhenprofil
einer Oberfläche
einer Bodenplatte eines Leistungshalbleiterbauelementes,
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3b ein
Höhenprofil
einer Oberfläche
einer Bodenplatte eines Leistungshalbleiterbauelementes mit überlagertem
Raster,
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3c ein
Höhenprofil
einer Oberfläche
einer Bodenplatte eines Leistungshalbleiterbauelementes mit zusammengefassten
Bereichen, die im Wesentlichen gleiche Höhenwerte aufweisen,
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3d ein
Höhenprofil
der Bodenplatte aus 3a bis 3c mit
Bereichen von im Wesentlichen gleichen Höhenwerten der 3c und
Schichtdickenangaben aus einer Maßstabsverschiebung der Höhenangaben,
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4 ein
schematische Darstellung einer Schablone zur Berechnung der Querschnittsfläche einer Öffnung,
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5 eine
Darstellung von zusammengefassten Bereichen von im Wesentlichen
gleicher Schichtdicke mit Öffnungsdurchmesserwerten
in einer ersten Ausführung,
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6 eine
Darstellung von zusammengefassten Bereichen von im Wesentlichen
gleicher Schichtdicke mit Öffnungsdurchmesserwerten
in einer zweiten Ausführung,
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7 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäß hergestellte Schablone,
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8 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäß hergestellte Schablone in
einer zweiten Ausführung.
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In
den 3a bis 3d ist
die Erfassung des Oberflächenprofils
des Leistungshalbleitermoduls mit einem geeigneten Messverfahren
und der Umsetzung dieser Daten in eine Schablone mit unterschiedlichen Öffnungsquerschnittsflächen dargestellt.
Das Oberflächenprofil 25 einer
Bodenplatte 2 eines Leistungshalbleitermoduls ist in 3a dargestellt.
Das Höhenprofil 29 zeigt
Bereiche von Maxima 26 und Minima 27. Ein Bereich
mittlerer Höhe 28 befindet
sich in der Mitte des Höhenprofils 25.
Dem Höhenprofil überlagert
ist die äußere Kontur
der zu fertigenden Schablone 1 mit einer Länge 21 und
Breite 22. Der beispielhafte Höhenmaßstab 29 weist Höhenunterschiede
von bis zu 50 μm
auf. Das Höhenprofil
wird in 3a gemessen, indem das Leistungshalbleitermodul
auf eine Glasplatte aufgespannt wird, um die Unebenheit der Bodenplatte 2 im
angeschraubten Zustand (zum Kühlkörper) zu
messen. Danach wird die Glasplatte mit der Bodenplatte 2 unter
ein Messgerät
gelegt und ausgerichtet. Üblicherweise
wird als Instrument zur Aufnahme des Höhenprofils 29 ein
Weißlichtinterferometer
eingesetzt. Das Weißlichtinterferometer
misst das Höhenprofil 29 der Bodenplatte 2 abschnittsweise
aus, wodurch sich der in 3a gestellte
Scan-Plott ergibt.
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In 3b ist
das Höhenprofil 29 der
Bodenplatte 2 aus 3a zu
sehen, wobei ein Raster 3 dem Höhenprofil 25 überlagert
wurde. Das Rastermaß als
Multiplikation der Länge 31 mit
der Breite 32 einer Rastereinheit 33 beträgt beispielsweise
5 × 5 mm.
Das Rastermaß richtet
sich an den Abmessungen der Bodenplatte 2 aus, wobei die
Länge und Breite
der Bodenplatte 2 der Länge 21 und
Breite 22 der Schablone 1 entsprechen können. Die
Abmessungen einer Bodenplatte des in 3 zu
sehenden Höhenprofils
betragen üblicherweise
107 × 37
mm. Die Höhenprofilskala 29 weist
Höhenunterschiede zwischen
dem tiefsten und höchsten
Punkt der Bodenplatte 2 von 60 μm (–30 bis +30 μm) auf. Die
Skala für
die gemessenen Höhenunterschiede
im Höhenprofil 29 kann
zwischen –100
und 100 μm
liegen.
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3c zeigt
das Raster 3 der 3b, wobei Bereiche
mit im Wesentlichen gleichen Höhenwerten zusammengefasst
sind. Die Zusammenfassung der Rasterelemente 33 zu Bereichen
von annähernd
höhengleichen
Werten geschieht über
eine Ungleichung. Demnach sind in den Bereichen 36 Höhenwerte
zusammengefasst, die von dem Wert 28 um +/– 5 μm abweichen,
also –5 μm < Höhenwert < +5 μm. Im Wesentlichen
höhengleiche
Bereiche werden, abhängig
von den Rastermaßen 31, 32 beispielsweise
mit Höhenunterschieden
zwischen 5 und 10 μm zusammengefasst.
Man erkennt, dass höhengleiche zusammengefasste
Bereiche unterschiedliche Formen im Rahmen der Rastergeometrie 3 annehmen können. Neben
Bereichen mit Rasterelementgröße 33 sind
größere quadratische
Bereiche 35 zu sehen. Auch rechteckige Bereiche 36 können vorkommen. Auffallend
ist, dass die Struktur der zusammengefassten Bereiche mit den im
Wesentlichen gleichen Höhenwerten
symmetrisch ausfällt.
Diese Symmetrie ist ausschließlich
auf das individuelle Höhenprofil 29 der
Bodenplatte 2 zurückzuführen. Es
kann daher selbstverständlich
auch unsymmetrisch ausfallen.
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3d zeigt
die zusammengefassten Bereiche von den wesentlichen gleichen Höhenwerten
der 3c, wobei die Höhen des Höhenprofils 29 in den zusammengefassten
Bereichen 33, 35, 36 in Schichtdickenwerte 44 überführt sind.
Die Überführung der
Höhenwerte
des Höhenprofils 29 in
die Schichtdickenwerte 39, 41, 42 erfolgt
durch eine einfache Verschiebung des Maßstabs 29 in den Schichtdickenmaßstab 44.
Hierzu wird der im Maßstab 29 mittig
vorhandene Nullpunkt nach außen
(in 3d nach rechts) verschoben und das Vorzeichen
des Maßstabs 29 invertiert.
Aus der Höhenprofilskala 29 von –30 μm bis +30 μm wird die
Schichtdickenskala 44 von 60 μm bis 0 μm. Die gemittelte Schichtdicke 39 für den zusammengefassten
Höhenprofilbereich 36 bezieht
sich ausschließlich
auf ein Rechteck der Länge 37 und
Breite 38.
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Der Übergang
von den Schichtdicken
39,
41,
42 in die
zur Herstellung der Schablone notwendigen Öffnungsquerschnittsflächen ist
schematisch in
4 gezeigt. Das Raster
3 gibt
hierbei die kleinsten zusammengefassten Bereiche von im Wesentlichen gleicher
Schichtdicke mit den Abmaßen
31,
32 vor. Die
in
3d angegebenen Schichtdicken der zusammengefassten
Bereiche
48 werden in Öffnungsquerschnittsflächen
47 überführt. Hierzu
wird das Volumen der Länge
32,
Breite
31 und Schichtdicke
44 des zusammengefassten
Bereiches
33 gleichgesetzt mit dem Volumen aus der Öffnungsquerschnittsfläche
47 und
der Schablonendicke
9. Im einfachen Fall eines Öffnungsquerschnittes
in Form eines Kreises ergibt sich, dass der Durchmesser (ÖD) der kreisförmigen Öffnung (
48)
der Schablone definiert ist über die
Gleichung
- ÖD:
- Durchmesser der Öffnung in
mm
- SL:
- Länge (32) der aufzutragenden
Schicht in mm
- SB:
- Breite (31)
der aufzutragenden Schicht in mm
- SD:
- Dicke (44)
der aufzutragenden Schicht in μm
- PD:
- Plattendicke (9)
in μm.
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Übliche Durchmesser ÖD betragen
zwischen 2 und 5 mm.
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In
allgemeiner Form ergibt sich die Öffnungsquerschnittsfläche (QF) über die
Gleichung
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Abhängig von
der Schablonendicke 9, die beispielsweise zwischen 75 und
120 μm beträgt, sind für das Schichtdickenprofil 4 der 3d die Öffnungsdurchmesser ÖD in dem Öffnungs durchmesserprofil 5 in 5 eingetragen.
Die Öffnungsdurchmesser
betragen zwischen 2,5 mm (51) und 4,7 mm (52),
wobei der Lochdurchmesser für
den Bereich 36 4,2 mm (56) beträgt. Die
Bereiche 34 sind nicht für den Materialschichtauftrag
bestimmt. Diese Bereiche an den Ecken der zu fertigenden Schablone
dienen der Abdeckung von Befestigungsvorrichtungen an dem Leistungshalbleitermodul
während
des Auftrags der Wärmeleitpaste.
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Das Öffnungsdurchmesserprofil 6 für eine zweite
Ausführung
der Erfindung ist in 6 gezeigt. Die Öffnungsdurchmesser
unterscheiden sich um nahezu den Faktor 2 von denen der 5,
ersichtlich aus dem minimalen Wert 1,26 (61) und dem maximalen
Wert 4,72 (62). Die Bereiche 68 dienen, ähnlich den
Bereichen 34 in 5, dem Schutz von Befestigungsvorrichtungen
am Leistungshalbleiterbauelement vor einem Schichtauftrag.
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Eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schablone 7 ist
in 7 gezeigt. Man erkennt, dass neben den kreisförmigen Öffnungen 71, 72, 73 zusätzlich Langlöcher 74 in
die Schablone eingebracht sind. Die Querschnittsflächen 76 der
Langlöcher 74 berechnen
sich nach der zweiten oben genannten Formel aus dem Schichtdickenprofil 4 der 3d. Bei
der Berechnung der Querschnittsflächen 75 der Öffnungen 71, 72, 73, 74 der
Schablone 7 ist es günstig,
bei der Berechnungsschablonendicke PD einen zusätzlichen Wert zu der tatsächlichen
späteren Schablonendicke 9 zu
addieren. In einer Ausführung der
Erfindung beträgt
diese Sicherheitszugabe 20 μm bei
einer Schablonendicke von 100 μm.
Auch kann die tatsächliche
späteren
Schablonendicke 9 gegenüber
der bei der Berechnung verwendeten Schablonendicke PD vergrößert sein.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schablone 8 ist
in 8 gezeigt. Lochöffnungen 81, 82, 83 und
langlochförmige Öffnungen 84, 85 in
unterschiedlichen Größen sind
zu sehen. Die Ecken der Schablone 88 dienen, wie die Bereiche 78 der
Schablone 7, nicht dem Schichtauftrag auf das Leistungshalbleitermoduls.
In diesen Bereichen befinden sich beispielsweise Anschraublöcher des
Moduls und daher keine Öffnungen
in der Schablone 8. Ein Vergleich der Schablonen 7 und 8 zeigt,
dass abhängig
vom Rastermaß 31, 32,
der Schablonendicke 9 und der aufzubringenden Schichtdicke 44 das Öffnungsdurchmesserprofil 8 gegenüber dem
Profil 7 verfeinert ist. Mit der Zahl der Öffnungen
steigt der Berechnungs- und Herstellungsaufwand. Die Schablonen 7, 8 können über CAD-Zeichnungen der Lochdurchmesserprofile 5, 6 und
der Schichtdickenprofile 4 hergestellt werden.
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Mit
den Schablonen 7, 8 kann auf ein Leistungshalbleiterbauelement,
dessen Höhenprofil 25 zur
Auslegung der Schablonen 7, 8 herangezogen wurde,
eine minimierte Wärmeleitpastenschichtdicke aufgebracht
werden. Aufgrund dieser reproduzierbar minimierten Wärmeleitpastenschichtdicke
folgt ein optimierter thermischer Übergangswiderstand zwischen
dem Leistungshalbleitermodul und dem Kühlkörper.
