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Die
Erfindung betrifft eine Harz-Formulierung auf Bismaleinimid-Basis
und die Verwendung der Harz-Formulierung.
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Aus
der
WO 03/030247
A2 ein Verfahren zum planaren Kontaktieren eines elektrischen
Bauelements bekannt. Dabei wird eine Kontaktfläche des
Bauelements, beispielsweise ein auf einem Substrat angeordnetes Halbleiterbauelement,
großflächig kontaktiert. Zur Kontaktierung wird
eine Isolationsfolie auf das Halbleiterbauelement auflaminiert.
Durch Erzeugen eines Fensters in der Isolationsfolie wird die Kontaktfläche
des Halbleiterbauelements freigelegt. Nachfolgend wird die Kontaktfläche
durch Metallabscheidung auf der Kontaktfläche und auf Bereichen
der Isolationsfolie durch das Fenster hindurch elektrisch kontaktiert.
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Das
bekannte Verfahren wird beispielsweise in der Hochleistungselektronik
zur Kontaktierung von Leistungshalbleiterbauelementen eingesetzt.
Im Betrieb derartiger Bauelemente kann es zu einer hohen Wärmeentwicklung
und in Folge davon zu einer erheblichen thermischen Belastung der
Folie kommen. Die thermische Belastung führt bei den kommerziell
erhältlichen Folien, beispielsweise auf Epoxid-Basis, zu
Degradationsprozessen. Aufgrund der Degradationsprozesse verschlechtern
sich beispielsweise die mechanischen Eigenschaften der Folie.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Harz-Formulierung anzugeben, die sehr
gut verarbeitet werden kann und die thermischen Belastungen bei
Temperaturen von bis zu 225°C Stand hält.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird eine Harz-Formulierung mit mindestens
einer vernetzbaren Bismaleinimid-Komponente angegeben, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bismaleinimid-Komponente Bismaleinimidophenylindan mit
folgender Strukturformel aufweist:
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Die
Reste R1, R2 und R3 sind beliebige gleiche oder verschiedene gesättigte
oder ungesättigte organische Reste, beispielweise Ethyl-
oder Phenyl-Gruppen. Wasserstoff ist ebenfalls denkbar. Vorzugsweise
sind die Reste R1 bis R3 jeweils eine Methylgruppe. Bismaleinimidophenylindan
(BMPI) zeichnet sich durch einen niedrigen Schmelzpunkt von unter
90°C aus. Darüber hinaus zeigt das BMPI bei der
Schmelztemperatur eine niedrige Viskosität. Dies führt
zu einer sehr guten Verarbeitbarkeit. Gleichzeitig weist BMPI eine
gute thermische Stabilität auf. BMPI vereint somit eine
gute Verarbeitbarkeit und eine zu erzielende hohe thermische Stabilität.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung ist mindestens ein Co-Monomer zur Bildung
eines Co-Polymerisats mit dem Bismaleinimidophenylindan vorhanden.
Das Co-Monomer reagiert mit Bismaleinimidophenylindan. Bevorzugt
findet eine Reaktion ab einer Temperatur von 150°C statt.
Das Co-Monomer wird bei der Vernetzung in das Netzwerk durch Polykondensation
eingebaut. Das Co-Monomer fungiert dabei als so genannter Toughening
Modifier (TM). Es dient der Modifizierung der mechanischen Eigenschaften
eines aus der Harz-Formulierung gewonnenen Produkts, beispielsweise
einer Folie.
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Aufgrund
der hohen Reaktivität der funktionellen Gruppen des BMPIs
sind beliebige Co-Monomere denkbar. Als besonderes geeignet hat
sich ein Co-Monomer herausgestellt, das eine Allyl-Gruppe und/oder eine
Phenolgruppe aufweist. Vorzugsweise sind beide Gruppen vorhanden,
wie im Fall des Compimids TM 124
® von
Degussa:
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In
einer besonderen Ausgestaltung ist in der Harz-Formulierung ein
Entgasungsmittel vorhanden. Das Entgasungsmittel erleichtert ein
Entgasen der Harz-Formulierung während der Verarbeitung.
Beispielsweise wird die Harz-Formulierung zu einer Folie verarbeitet.
Mit dem Entgasungsmittel sind Folien mit einer glatten Folienoberfläche
erhältlich.
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In
einer besonderen Ausgestaltung weist das Entgasungsmittel mindestens
ein Polyacrylat auf, wobei ein wesentlicher Bestandteil des Entgasungsmittels
von dem Polyacrylat gebildet wird. Dabei sind verschiedenste Polyacrylate
denkbar. Als besonders geeignet hat sich dabei Modaflow® von
Monsanto herausgestellt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung enthält die Harzformulierung
mindestens ein Thixotropierungsmittel. Unter Thixotropie wird im
Allgemeinen die Erscheinung verstanden, dass die Viskosität
einer Flüssigkeit oder eines Gels durch Einwirken einer
mechanischen Kraft reversibel erhöht wird. Das Thixotropierungsmittel
der Harz-Formulierung führt dazu, dass die Harz-Formulierung
Thixotropie zeigt. Somit lässt sich mit dem Thixotropierungsmittel
die Verarbeitbarkeit der Harz-Formulierung steuern.
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Als
Thixotropierungsmittel sind verschiedenste Materialien bzw. Materialkombinationen
denkbar. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz hochdisperser Kieselsäure,
die durch Flammenhydrolyse von Siliziumtetrachlorid hergestellt
wird. Eine derartige Kieselsäure wird beispielsweise über
den Handelsnamen Aerosil® von Degussa
vertrieben. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher das Thixotropierungsmittel
Aerosil® auf. Dieses Thixotropierungsmittel
erhöht eine Standfestigkeit einer nach einem Formgebungsprozess
aus der Harz-Formulierung hergestellten, noch nicht ausgehärteten
(vernetzten) Folie. Ansonsten würde sich nämlich die
Folie beim Aushärten zusammenziehen oder es käme
zum „Ausbluten". Es würden sich verflüssigte
Harzanteile von den festen Harzanteilen trennen.
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Neben
dem Co-Monomer, dem Thixotropierungsmittel, und dem Entgasungsmittel,
die vor allen Dingen im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit der Harz-Formulierung
eingesetzt werden, können weitere Bestandteile in der Harz-Formulierung
vorhanden sein. Die weiteren Bestandteile können ebenfalls
auf die Verarbeitbarkeit der Harz-Formulierung abzielen. Beispielsweise
ist ein Viskositätsmittel zum Steuern der Viskosität
der Harz-Formulierung vorhanden. Die weiteren Bestandteile können
aber auch im Hinblick auf die thermische Stabilität eines
aus der Harz-Formulierung gewonnenen Produkts abzielen. In einer
besonderen Ausgestaltung ist daher mindestens ein Zusatz zur Einstellung
einer chemischen, elektrischen und/oder physikalischen Eigenschaft
der Harz-Formulierung und/oder eines aus der Harz-Formulierung hergestellten
Produkts vorhanden. Dabei sind verschiedenste organische und anorganische,
reaktive oder nicht reaktive Zusätze denkbar.
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In
einer besonderen Ausgestaltung weist der Füllstoff mindestens
einen gegenüber dem Bismaleinimidophenylindan im Wesentlichen
inerten Bruchzähigkeitsmodifikator auf. Der Bruchzähigkeitsmodifikator
ist eine Substanz, mit der eine mechanische Eigenschaft, z. B. Weichheit,
Biegsamkeit bzw. Elastizität, und damit die Verarbeitbarkeit
eines aus der Harz-Formulierung hergestellten Produkts verbessert
werden kann. Der Bruchzähigkeitsmodifikator unterbindet
beispielsweise die Rissbildung und Rissfortpflanzung in der ganz
oder nur teilweise ausgehärteten Folie. Im Wesentlichen
inert bedeutet dabei, dass es während der Herstellung,
der Lagerung und/oder der Weiterverarbeitung der Harz-Formulierung
zu keiner oder nahezu keiner chemischen Reaktion zwischen dem Bruchzähigkeitsmodifikator
und dem Bismaleinimidophenylindan kommt.
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In
einer besonderen Ausgestaltung weist der Bruchzähigkeitsmodifikator
ein Polyetherimid (PEI) auf. Als besonders geeignet hat sich dabei
ULTEM 1010® von General Electric
gezeigt. Dieser Bruchzähigkeitsmodifikator, ein Thermoplast,
verbindet sehr gut die gewünschte niedrige Reaktivität
gegenüber dem Bismaleinimidophenylindan mit der gewünschten
Elastizität eines Produkts in Form einer Folie.
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Insbesondere
können in der Harz-Formulierung anorganische Füllstoffe
enthalten sein. Diese Füllstoffe können verschiedenste
Funktionen ausüben. Beispielsweise wird durch anorganische
Füllstoffe eine Brennbarkeit der Harz-Formulierung bzw.
des resultierenden Produkts herabgesetzt. Ebenso kann eine elektrische Durchschlagsfestigkeit
des Produkts erhöht werden. In einer besonderen Ausgestaltung
weist der Zusatz zumindest einen aus der Gruppe Bornitrid und/oder
Wollastonit ausgewählten anorganischen Füllstoff
auf. Wollastonit erhöht aufgrund seiner nadelförmigen
Kristallstruktur eine Flexibilität des Systems. Bornitrid,
insbesondere wenn es fein vermahlen eingesetzt wird, zeigt sehr
gute Kompabilität zu Bismaleinimidophenylindan und führt
somit zu einer verbesserten Temperaturstabilität. Darüber
hinaus zeichnet sich Bornitrid durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aus. Dies führt zu einer entsprechenden Wärmeleitfähigkeit
des resultierenden Produkts Im Hinblick auf Hochtemperaturanwendungen
ist dies besonders vorteilhaft.
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Die
genannten anorganischen Füllstoffe führen zu einer
zusätzlichen Thixotropierung. Da dies eine Fließfähigkeit
der Harz-Formulierung behindert und somit eine Verarbeitbarkeit
einschränkt, ist gegebenenfalls der Anteil an Aerosil® anzupassen.
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Zur
Verbesserung einer Homogenität der Harz-Formulierung und
der daraus gewonnenen Folie können weitere Additive, beispielsweise
Bindemittel oder Dispergatoren enthalten sein. Ein besonderes Augenmerk
wird dabei auf die Verteilung des Füllstoffs oder der Füllstoffe
in der Harz-Formulierung bzw. des resultierenden Produkts geworfen.
Ebenso kann hier die spätere Anwendung des Produkts im
Blickpunkt stehen. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher ein
Haftvermittler vorhanden zur Verbesserung einer Haftung zwischen
vernetztem Bismaleinimidophenylindan und dem Füllstoff
und/oder zur Verbesserung einer Haftung zwischen dem durch die Vernetzung
des Bismaleinimidophenylindans gebildeten Produkts und einem Untergrund (z.
B. Substratoberfläche, elektrisches Bauelement), auf dem
das Produkt aufgebracht werden soll. Zur Anbindung der Füllstoffe
Bornitrid und Wollastonit hat sich ein Haftvermittler in Form eines
Silans als besonders günstig herausgestellt. Silan ist
hat sich auch als Haftvermittler für Metall- oder Keramik-Untergründe
bewährt, auf die beispielsweise eine aus der Harz-Formulierung
gewonnene Folie auflaminiert wird. In einer besonderen Ausgestaltung
weist daher der Haftvermittler ein Silan auf. Vorzugsweise weist
dabei das Silan eine Epoxi-Gruppe auf. Sehr gute Erfahrungen wurden
dabei mit dem Silan A-187 (3-(Trimethoxysilyl)-Propoxy-Methyl-Oxiran)
gemacht.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird die Harz-Formulierung zum Herstellen
einer elektrisch isolierenden Vergussmasse und/oder einer elektrisch
isolierenden Beschichtung eines elektrischen Bauelements verwendet.
Die Harz-Formulierung wird zur elektrischen Isolierung des Bauelements
eingesetzt. Dazu werden die Harz-Formulierung und die zu isolierende
Oberfläche des Bauelements in Kontakt miteinander gebracht.
Anschließend wird die Vernetzung der Harz-Formulierung
initiiert. Es bildet sich die elektrisch isolierende Vergussmasse.
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Zum
Auftragen können beliebige Verfahren angewandt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung wird zum Herstellen der elektrisch
isolierenden Vergussmasse und/oder zum Herstellen der elektrisch
isolierenden Beschichtung die Harz-Formulierung in einem Spritzgussverfahren
und/oder in einem Tintenstrahl-Druckverfahren (InkJet-Verfahren)
auf das Bauelement aufgetragen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung der Harz-Formulierung
zur Herstellung einer Folie mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:
a) Bereitstellen der Harz-Formulierung, b) Formgebungsprozess der
Harz-Formulierung und c) Initiierung einer Vernetzung des Bismaleinimidophenylindans
der Harz-Formulierung, wobei die Folie entsteht.
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Das
Bereitstellen beinhaltet u. a. ein Vermischen der Bestandteile der
Harz-Formulierung miteinander. Der Formgebungsprozess umfasst einen
Foliengieß-Prozess. Dazu wird beispielsweise die Harz-Formulierung
bei 100°C bis 120°C auf eine thermofixierte, einseitig
silikonisierte PET (Polyethylenterephthalat)-Trägerfolie
in dünner Schicht (Schichtdicke z. B. 100 μm bis
200 μm) aufgetragen.
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Nach
dem Formgebungsprozess wird die Vernetzung initiiert. Dies gelingt
beispielsweise durch Temperaturerhöhung. Dabei kann der
Vernetzungsprozess vollständig durchlaufen werden. Vorzugsweise
erfolgt die Vernetzung aber lediglich teilweise. In einer besonderen
Ausgestaltung wird daher das Vernetzen abgebrochen. Es findet ein
Anhärteprozess statt. Der Abbruch der Vernetzung erfolgt
vorzugsweise bei einem Vernetzungsgrad von maximal 20%. Dies bedeutet,
dass 20% oder weniger des Bismaleinimidophenylindans der Harz-Formulierung
umgesetzt ist. Dies führt dazu, dass die Folie noch flexibel
ist und bei der Weiterverarbeitung einer mechanischen Beanspruchung,
beispielsweise beim Einspannen, Aufheizen, Auflaminieren, etc., Stand
hält und nicht reißt. Gleichzeitig trägt
sich die Folie durch das Anhärten selbst und kann von einer
eventuell bei Formgebungsprozess verwendeten Trägerfolie
abgelöst werden. Das Ablösen gelingt relativ leicht,
da sich an einer Oberfläche der Folie und damit an einer
Grenzfläche zu einer Trägerfolie Oligomere der
Bismaleinimid-Komponente bilden, die zu einem Verlust einer Klebrigkeit
der Harz-Formulierung bzw. der Folie führen. Durch den
Einsatz von Thermoplasten als weitere Zusätze kann sowohl
die Flexibilität als auch die Selbst-Tragfähigkeit
der angehärteten Folie erhöht werden.
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Da
bei geeigneter Prozessführung selbstragende Folien hergestellt
werden können, sind Folien mit beliebigen Foliestärken
zugänglich. Vorzugsweise wird aber eine Folie mit einer
aus dem Bereich von 20 μm bis 400 μm und insbesondere
aus dem Bereich von 50 μm bis 200 μm ausgewählten
Folienstärke. Diese Folienstärken eignen sich
für beliebige, nachfolgende Folienverarbeitungsprozesse.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung der Folie zur
planaren Kontaktierung einer elektrischen Kontaktstelle eines elektrischen
Bauelements mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a') Bereitstellen
des Bauelements mit der Kontaktstelle, b') Auflaminieren der Folie
auf das Bauelement, so dass die Kontaktstelle von der Folie bedeckt
ist, c') Öffnen eines Fensters in der Folie, so dass die
Kontaktstelle des Bauelements freigelegt wird, und d') Kontaktieren
der elektrischen Kontaktstelle durch das Fenster hindurch. Einzelheiten
dieser Art der Kontaktierung sind der
WO 03/030247 A2 zu entnehmen.
Dabei ist festzuhalten, dass sich die Folie gerade für
diesen Prozess besonders eignet: Die Folie ist laminierbar (z. B.
unter Vakuum) und zeigt eine gute Haftfähigkeit auf verschiedensten
Materialien (Cu, Si). Darüber hinaus eignet sich die Folie
für die zur planaren Kontaktierung vorgesehenen Laserablation.
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Zusammenfassend
sind mit der Erfindung folgende Vorteile verbunden:
- – Durch den Einsatz von Bismaleinimidophenylindans
als Bismaleinimid-Komponente einer entsprechenden Harz-Formulierung,
die bei relativ niedriger Temperatur schmilzt und die bei der Schmelztemperatur eine
niedrige Viskosität zeigt, wird die Verarbeitung der Harz-Formulierung
stark vereinfacht.
- – Durch die niedrige Schmelztemperatur und der damit
einhergehenden niedrigen Viskosität ist es möglich, einen
relativ hohen Füllgrad an Füllstoffen zu erzielen.
Dadurch lässt sich eine Vielzahl von Eigenschaften des
resultierenden Produkts, beispielsweise Wärmeleitfähigkeit,
mechanische Stabilität (z. B. Bruchzähigkeit)
Temperaturausdehungskoeffizient,
Haftung am Untergrund, etc., in einem weiten Bereich einstellen.
- – Durch das Anhärten und die Flexibilisierung
mit Bruchzähigkeitsmodifikatoren (Thermoplasten) wird eine gut
applizierbare Folie erhalten, die selbst tragend ist und bereits
einer relativ niedrigen Prozesstemperatur von etwa 70°C
für die planare Kontaktierung eingesetzt werden kann.
- – Die angehärtete Folie zeigt eine gute Lagerbeständigkeit.
Ein Einfrieren wie bei vergleichbaren Produkten ist nicht nötig.
- – Die Harz-Formulierung ist für Hochtemperatur-Anwendugnen
geeignet. Eine aus der Harz-Formulierung gewonnene Folie zeigt beispielsweise
bei 175°C über 1000 h lediglich Verfärbung,
jedoch keine nennenswerte Zersetzung (gemessen am Masseverlust).
- – Bereits im ungefüllten Zustand (ohne entsprechenden
Füllstoff) zeigt ein resultierendes Produkt einen niedrigen
thermischen Ausdehungskoeffizienten. Daraus resultiert ein erhöhter
Freiheitsgrad hinsichtlich anderer Eigenschaften wie Flexibilität
und thermische Stabilität des Produkts.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels und einer Figur wird die Erfindung
näher erläutert. Die Figur ist schematisch und
stellt keine maßstabsgetreue Abbildung dar.
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Die
Figur zeigt einen Ausschnitt eines Leistungshalbleitermoduls von
der Seite.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel setzen sich die Harz-Formulierung wie
folgt zusammen:
Bismaleinimidophenylindan | 50
MT |
Compimide
TM 124® | 50
MT |
Bornitrid
(fein vermahlen) | |
Aerosil® | |
Modaflow® | |
Silan
A-187 | 0,5
MT |
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In
nicht dargestellten Ausführungsformen wird die Harz-Formulierung
zum Herstellen einer elektrisch isolierenden Vergussmasse und zum
Herstellen einer elektrisch isolierenden Beschichtung des Leistungshalbleiterbauelementsverwendet.
Dazu wird ein Spritzgussverfahren bzw. ein InkJet-Verfahren angewandt.
Insbesondere durch die Anwendung des InkJet-Verfahrens gelingt es,
die elektrisch isolierende Beschichtung strukturiert auf das Leistungshalbleiterbauelement
aufzutragen und somit von vornherein elektrische Kontaktflächen
des Bauelements frei zu lassen. Nach dem Auftragen wird die Harz-Formulierung
thermisch ausgehärtet.
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Gemäß einer
alternativen Anwendung wird die Harz-Formulierung zu teil-vernetzten
Folien verarbeitet. Die teil-vernetzen Folien werden zur planaren
Kontaktierung eines Bauteils verwendet.
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Das
Bauteil ist ein Leistungshalbleiterbauelement 10, das auf
einem DCB (Direct Copper Bonding) Substrat mit einer Keramikplatte
angeordnet ist, an deren Hauptflächen Kupferschichten 112 und 113 angebracht
sind (vgl. Figur). Das Leistungshalbleiterbauelement ist auf die
Kupferschicht 112 des Substrats aufgelötet.
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Das
Leistungshalbleiterbauelement weist auf der dem Substrat abgekehrten
Seite eine Kontaktierungsfläche 101 auf. Zur elektrischen
Kontaktierung wird die teil-vernetzte Folie auf das Leistungshalbleiterbauelement
und das Substrat auflaminiert.
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Nach
dem Auflaminieren wird in der Folie ein Fenster 121 erzeugt
und so die Kontaktierungsfläche freigelegt. Das Erzeugen
des Fensters erfolgt durch Laserablation. In einer alternativen
Ausführung wird zum Erzeugen des Fensters ein Photolithographie-Prozess
durchgeführt.
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Nach
dem Erzeugen des Fensters wird elektrisch leitendes Material 14 auf
der freigelegten Kontaktierungsfläche und auf der auflaminierten
Folie abgeschieden. Das elektrisch leitende Material wird in mehreren Schichten
aus der Gasphase abgeschieden. Den Abschluss bildet eine galvanisch
abgeschiedene Kupferschicht. Auf diese Weise werden die Kontaktierungsflache
des Leistungshalbleiterbauelements mit einer elektrischen Leitungsbahn
kontaktiert, die über eine hohe Stromtragfähigkeit
verfügt. Bauelement, Substrat und die entsprechenden Leitungsbahnen
bilden das Leistungshalbleitermodul.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 03/030247
A2 [0002, 0025]