DE102007047698A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verbinden von Komponenten - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Verbinden von mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) enthält ein Unterwerkzeug (95) und ein Oberwerkzeug (96). Das Unterwerkzeug (95) weist die Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) auf, die verbunden werden sollen, wobei eine erste Komponente (3) mindestens eine zweite Komponente (2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) mit einem zumindest teilweisen Überlapp relativ zur ersten Komponente (3) trägt. Das Unterwerkzeug (95) und das Oberwerkzeug (96) können relativ zueinander bewegt werden. Das Oberwerkzeug (96) trägt mindestens zwei heizbare Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83), die verbunden sind, damit sie sich relativ zueinander über ein abgedichtetes Druckkissen (5) bewegen können. Die Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) und das Druckkissen (5) weisen eine erste flexible Schicht (6) zwischen sich auf. Eine zweite flexible Schicht (19) ist zwischen dem Oberwerkzeug (96) und dem Unterwerkzeug (95) angeordnet.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrischen und/oder mechanischen Verbinden mindestens zweier Komponenten mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug, die sich relativ zueinander bewegen können.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Verbindungsstellen werden zum Montieren von Halbleiterbauelementen in der Elektronik verwendet. Verbindungsstellen können als zuverlässige und thermisch stabile metallverbindende Schichten zwischen mindestens zwei Komponenten in der Leistungshalbleitertechnik hergestellt werden, beispielsweise durch Anwenden der Niedrigtemperatur-Fügetechnik (LTJT – Low Temperatur Joining Technique).
  • Leistungshalbleitermodule umfassen einen Halbleiterbaustein und mindestens zwei auf einem oder mehreren Substraten innerhalb des Bausteins montierte Leistungshalbleiterchips. Die Leistungshalbleiterchips umfassen üblicherweise Leistungselektronikschaltungen wie etwa Gleichrichterbrücken, Gleichstromzuleitungen, IGBT-Inverter, Treiber, Steuereinheiten, Erfassungseinheiten, Halbbrückeninverter, Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC-DC), DC-AC-Wandler, DC-DC-Wandler, bidirektionale Hybridschalter und mehr. Andere Komponenten können enthalten sein. Im Fall von mehreren Substraten sind Zwischenverbindungen von einem Substrat zu einem anderen innerhalb des Bausteins vorgesehen. Es besteht ein allgemeiner Bedarf nach der Bereitstellung zuverlässigerer Verbindungsstellen zwischen dem Substrat und den an ihm angebrachten Bauelementen und Komponenten.
  • KURZE DARSTELLUNG
  • Eine Vorrichtung zum elektrischen und/oder mechanischen Verbinden von mindestens zwei Komponenten mit einem oberen und einem Unterwerkzeug wird hierin offenbart, wobei das Unterwerkzeug die mindestens zwei Komponenten umfasst, wobei die erste Komponente mindestens eine zweite Komponente mit einer zumindest teilweisen Überlappung relativ zur ersten Komponente trägt; das Unterwerkzeug und das Oberwerkzeug relativ zueinander bewegt werden können; das Oberwerkzeug mindestens zwei heizbare Stempel umfasst, die verbunden sind, damit sie sich relativ zueinander über ein abgedichtetes Druckkissen bewegen können; wobei die Stempel und das Druckkissen zwischen sich eine erste flexible Schicht aufweisen; und das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug eine zwischen sich angeordnete zweite flexible Schicht aufweisen.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Komponenten unter Verwendung eines Ober- und eines Unterwerkzeugs offenbart, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einlegen der mindestens zwei Komponenten in das Unterwerkzeug, wobei die erste Komponente mindestens eine zweite Komponente mit einer zumindest teilweisen Überlappung relativ zur ersten Komponente trägt; wobei das Oberwerkzeug mit mindestens zwei heizbaren Stempeln ausgelegt ist, die verbunden sind, so dass sie sich relativ zueinander über ein abgedichtetes Druckkissen bewegen können; Einlegen einer ersten flexiblen Schicht zwischen die Stempel und das Druckkissen; Anordnen einer zweiten flexiblen Schicht zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug; und Bewegen des unteren Werkzeugs und des Oberwerkzeugs relativ zueinander.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die neuartige Verbindungsanordnung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die Beschreibung besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, die Betonung wird stattdessen auf die Veranschaulichung der Prinzipien der neuartigen Anordnung gelegt. Zudem bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile. In den Figuren zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer Verbindungsanordnung elektronischer Bauelemente mit zwei Leistungshalbleiterbauelementen und einem Substrat;
  • 2 eine Querschnittsansicht einer Anordnung von zwei Leistungshalbleiterbauelementen, die sich auf einem Substrat befinden, wobei ein jeweils zusätzlicher Kontakt an jedes der Leistungshalbleiterbauelemente angelegt worden ist;
  • 3 eine Querschnittsansicht der Anordnung von 2, wobei das Substrat zusätzlich an einer planaren Basisplatte montiert worden ist;
  • 4 eine Querschnittsansicht der Anordnung von 3, wobei die Basisplatte bogenförmig geformt ist;
  • 5 eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer neuartigen Vorrichtung zum Verbinden der Komponenten der Anordnung in 4 bei offenem Werkzeug;
  • 6 eine Draufsicht auf die den zu montierenden Komponenten zugewandte Seite des Oberwerkzeugs;
  • 7 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines geschlossenen Werkzeugs mit paralleler Orientierung des Stempels relativ zu einem Leistungshalbleiterbauelement;
  • 8 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines geschlossenen Werkzeugs, wobei sich der Stempel relativ zu einem Leistungshalbleiterbauelement in einer schiefen Position befindet; und
  • 9 ein schematisches Weg-/Druck-Diagramm für das Druckkissen bei noch einem weiteren Beispiel der Verbindungsanordnung mit einer Veranschaulichung für zwei verschiedene Druckkissenmaterialien.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt ein Substrat 2, das die Leistungshalbleiterbauelemente 1, 11 trägt. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 2 ein Keramiksubstrat sein, das verwendete Material kann HPS-Al2O3, AlN oder Si3N4 sein. Das Substrat 2 kann auf seiner den Halbleiterbauelementen 1, 11 zugewandten Seite mit Metallschichten 21, 23 versehen sein. Die von den Leistungshalbleiterbauelementen 1, 11 entfernte Seite des Substrats 2 kann eine weitere Metallschicht 22 aufweisen. Als Materialien für die Schichten 21, 22, 23 können Kupfer, Aluminium oder eine beliebige andere Art von üblicherweise verwendetem Metall verwendet werden. Bei der Ausführungsform von 1 bilden die Schichten 2, 21, 22, 23 ein DCB-Substrat (Direct Copper Bonding), und das Keramiksubstrat weist Cu-Schichten 21, 22, 23 mit Schichtdicken zwischen 0,1 und 1 mm auf. Bei anderen Ausführungsformen können alternativ andere Substratarten wie etwa AMB-Substrate (Active Metal Brazing), DAB-Substrate (Direct Aluminium Bonding) oder gewöhnliche Hartlötsubstrate verwendet werden. Das Substrat 2 und die Schichten 21, 22, 23 können zusätzlich über den ganzen Oberflächenbereich oder selektiv beschichtet werden, wenn z.B. die Metallisierung Al, Ni/Au-, Ni/Ag, Cu, Cu/Ni/Au, Cu/Ag, Ni/Pd, NiPdAg, Ti/Ni/Au, Ti/Ni/Ag, Cr/Ni/Au, Cr/Ni/Ag- beschichtet ist. Im Fall einer Cu-Metallisierung können Au, Ag, Pd, Pt, W, Mo, Mn für die Beschichtung verwendet werden. Es sind auch Kombinationen aus diesen Materialien möglich. Das Leistungshalbleiterbauelement 1 kann mittels einer Verbindungsschicht 4 mit der Metallschicht 21 des Substrats 2 verbunden sein. Das zweite Halbleiterbauelement 11 kann mittel einer Verbindungsschicht 41 mit der Metallschicht 23 des Substrats 2 verbunden sein. Die Halbleiterbauelemente 1, 11 werden nachfolgend auch als Chips bezeichnet.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der Komponentenanordnung aus 1, wobei sich auf den Chips 1 beziehungsweise 11 zusätzliche Metallkontakte 12, 13 befinden. Der Metallkontakt 12 kann mittels einer Verbindungsschicht 42 mit dem Halbleiterbauelement 1 verbunden sein, wobei der Metallkontakt 13 mittels einer Verbindungsschicht 43 mit dem Halbleiterbauelement 11 verbunden ist. Bei einer Ausführungsform kann die Schichtdicke der Metallkontakte 12, 13 50 μm bis 1 mm betragen, wobei sich die Metallkontakte 12, 13 ausschließlich auf aktiven Oberflächenbereichen der Halbleiterbauelemente 1, 11 befinden, die als elektrische Kontaktgebiete dienen.
  • Eine weitere Ausführungsform von zu verbindenden Komponenten ist in 3 gezeigt. Die Anordnung aus 2 befindet sich auf einer planaren Basisplatte 3, wobei die Metallschicht 22 mittels einer Verbindungsschicht 44 mit der planaren Basisplatte 3 verbunden ist. Die Basisplatte 3 kann in unbehandelter oder nickelbeschichteter Form vorliegen. Geeignete Materialien für die Basisplatte 3 sind Cu, Al oder Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC – Metal Matrix Composite)-Materialien. Das MMC-Material kann Kupfer, Aluminium oder Aluminiumlegierung als Matrix aufweisen. Die Matrix ist mit einem Füllmaterial wie etwa SiC-Pulver, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren oder pyroelektrischen Graphiten usw. oder einer Mischung aus beliebigen dieser Arten gefüllt. Geeignete Arten von Metallmatrix-Verbundwerkstoff sind beispielsweise AlSiC, CuMo, CuW, CuSiC und AlC. Zum Herstellen einer LTJT-Verbindung kann eine Kontaktschicht (im Fall einer Al-Matrix) aus Ni/Au-, Ni/Ag, Cu, Cu/Ni/Au, Cu/Ag, Ni/Pd, NiPdAg, Ti/Ni/Au, Ti/Ni/Ag, Cr/Ni/Au, Cr/Ni/Ag verwendet werden. Im Fall einer Cu-Matrix können Au, Ag, Pd, Pt, W, Mo, Mn oder Kombinationen daraus auf die Basisplatte 3 aufgebracht werden. Alternativ kann eine Kontaktschicht auf der Basisplatte 3 entfallen, wenn eine Kontaktschicht in einem folgen den Verfahrensschritt aktiviert wird. Das Substrat 2 weist beispielsweise entweder die reine Cu-, Au-, Ag-, Pd-, Pt-, W, Mo- oder Mn-Metallisierung auf oder ist, wenn die Metallisierung Al ist, Ni/Au-, Ni/Ag, Cu, Cu/Ni/Au, Cu/Ag, Ni/Pd, NiPdAg, Ti/Ni/Au, Ti/Ni/Ag, Cr/Ni/Au, Cr/Ni/Ag- beschichtet. Es sind auch Kombinationen aus diesen Arten von Materialien möglich.
  • Die Ausführungsform in 4 ist ähnlich der in 3, mit dem Unterschied zu 3, dass die Basisplatte 3 bogenförmig geformt ist. Die Basisplatte 31 kann während eines Prozesses zum Verbinden mehrerer Komponenten vorgeformt oder gebogen werden. Thermisch stabile und metallverbindende Schichten 4, 41, 42, 43, 44, 45 werden mittels eines Wärmefügeverfahrens gebildet. Auf eine der beiden Komponenten (1/21, 11/23, 12/1, 13/11, 22/3, 22/31), die verbunden werden sollen, wird vor dem Fügeprozess ein Sintermaterial aufgebracht. Das Sintermaterial kann unter Anwendung eines Ausgabe-, Sputter-, Dampfabscheidungs-, Druck- oder Sprühprozesses aufgebracht werden. Die auf diese Weise vorbereiteten Komponenten werden dann mit exakter Positionierung für den Fügeprozess zusammengefügt und werden mittels statischem Druck und einer Fügetemperatur miteinander verbunden. In diesem Fall wird die Sinterschicht in eine Verbindungsschicht 4, 41, 42, 43, 44, 45 zwischen den Komponenten 1, 2, 11, 12, 13, 21, 22, 23, 3 und 31 umgewandelt, wobei diese Schicht eine mechanisch stabile Verbindung zwischen den Komponenten erzeugt. Das Herstellen einer mechanisch stabilen Verbindung unter Verwendung einer Sinterschicht wird auch als ein Sinterprozess bezeichnet.
  • Die bogenförmig geformte Basisplatte 31 kann geformt werden, indem die planare Basisplatte 3 vor dem Sinterprozess verformt wird, oder durch ein geeignet geformtes Werkzeug als eine Basisplattenhalterung in dem Sinterprozess. In beiden Fällen kann die Kraft zum Verformen der bogenförmigen Basisplatte 31 mit Hilfe von Stempeln eingeführt werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann zum Herstellen einer mechanisch stabilen Verwendung unter Verwendung einer Sinterschicht ein hoher statischer Druck verwendet werden. Bei den Komponentenanordnungen in 3 und 4 bedeutet daher das Aufbringen einer Verbindungsschicht bis zum Rand der Schichten 21 und 23, dass der Außenrand der Schicht 22 die gleiche oder eine größere Länge als die Außenränder der Schichten 21 und 23 aufweisen sollte. Der Außenrand der verbindenden Schicht 44, 45, die aufgebracht worden ist, sollte ebenfalls nicht größer hergestellt werden als der Außenrand der Schicht 22, die sich über ihm befindet.
  • Bei der Herstellung von Verbindungen, beispielsweise unter Verwendung von LTJT-Technologie, ist selbst die Einleitung einer Kraft über die ganze Oberfläche der Komponenten, die verbunden werden sollen, von großer Wichtigkeit, um eine homogene Verbindung für die Komponenten zu erzielen. Zum Einbringen des erforderlichen quasi-hydrostatischen Drucks werden Druckkissen verwendet, die zwischen einen Stempel und die Komponenten, die verbunden werden sollen, eingelegt werden. Die Druckkissen passen sich selbst an die Konturen der zu verbindenden Komponenten an. Die verwendeten Druckkissen können beispielsweise aus Fluoren-Polymeren (Calres, Viton oder Silikon) hergestellt sein.
  • Bei einer Ausführungsform können infolge ihrer Verformbarkeit die flexiblen und thermisch stabilen Druckkissen kleine Höhendifferenzen bei den Komponenten ausgleichen. Jedoch ändert sich die Integrität der Druckkissen in einem Wiederholungsprozesszyklus infolge mechanischer Beschädigung, weshalb keine reproduzierbaren Anfangsbedingungen bei der produktiven Verwendung garantiert werden können. Die Vorteile von elastischen Druckkissen, wie etwa die Möglichkeit des Ausgleichs von Höhendifferenzen zwischen den zu verbindenden Komponenten, werden dementsprechend durch die Tatsache eingeschränkt, dass diese Kunststoffmaterialien keinen Mangel an Langzeitstabilität aufweisen.
  • Insbesondere unter dem Einfluss der scharfkantigen Natur verwendeter Komponenten, der Toleranzen der Komponenten, und der hohen Kontaktdrücke von bis zu 45 MPa, werden die formenden Ränder im Lauf der Lebenszeit eines Druckkissens permanent geschädigt. Das Ergebnis ist zunehmende Abnutzung des Druckkissens und eine damit einhergehende Änderung bei den Fügeparametern, wenn große Mengen hergestellt werden. Eine Beschädigung während eines Lebenszyklus verändert auch die Kriecheigenschaften des Kissenmaterials. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Komponenten relativ zueinander direkt zu Beginn des Sinterprozesses bewegen, was zu einer erhöhten Anzahl fehlerhafter Verbindungen führt. Außerdem lässt sich Kontamination der Komponenten aufgrund des Ausgasens und des Ausblutens aus den Kissenmaterialien nicht vollständig vermeiden. Insbesondere treten bei der Verarbeitung von Chips und DCB-, AMB-, DAB- oder normalen Hartlötsubstraten wiederholt Probleme bei der Weiterverarbeitung auf, die häufig nur durch zusätzliche Reinigungsprozesse eliminiert werden können. Die sofort verwendeten Druckkissen kommen in Kontakt mit den Komponenten, die bei hohen entstehenden Prozesstemperaturen behandelt werden sollen, was bedeutet, dass die Auswahl der Kunststoffmaterialien, die verwendet werden können, stark eingeschränkt ist.
  • Außerdem werden mechanische Systeme zum Herstellen einer mechanisch stabilen Verbindung mit einer Sinterschicht verwendet, bei denen Stößel verwendet werden, die als Stempel dienen und die so angebracht sind, dass sie sich in einer Achse bewegen können. Die Stößel werden zum Übertragen einer Kraft über eine Flüssigkeitskammer verwendet, die mit einer Membran abgedichtet ist. Damit mit einer Flüssigkeit ein hydrostatischer Druck bei hohen Temperaturen ausgeübt werden kann, ist der Einsatz von öligen Flüssigkeiten und Metallmembranen erforderlich. Die Flüssigkeitskammer muss mit Hilfe der Metall membran abgedichtet sein. Dies ist auf der Basis des heutigen Wissensstandes nur zu einem bestimmten Ausmaß möglich und ist mit dem Risiko einer Komponentenkontamination verbunden. Der mögliche Kontaktdruck mit solchen Systemen ist beschränkt, da die Dichtung zwischen der Flüssigkeitskammer und der Metallmembran nicht überlastet werden darf. Kontaktsysteme mit Flüssigkeitskammern eignen sich deshalb nur für Kontaktdrücke von höchstens 1 MPa.
  • Für Verbindungstechniken mit signifikant höheren Kontaktdrücken, wie etwa der LTJT-Technik bei etwa 45 MPa, ist eine Kontaktvorrichtung mit einer Flüssigkeitskammer ungeeignet. Da nur Metalle als Membranmaterialien bei höheren Temperaturen verwendet werden können, und diese niedrigere Flexibilitätsgrade als beispielsweise Elastomer-Druckkissen aufweisen, können diese Systeme nur zum Implementieren von Stempellayouts mit ausreichend großen Abständen zwischen den Stempeln verwendet werden. Stempellayouts mit nahe beieinander angeordneten Stößeln können nicht implementiert werden, da aufgrund der geringen Flexibilität der Metallmembran eine gleichmäßige Druckverteilung an den Stößeln nicht garantiert werden kann. Außerdem können aus Metallen hergestellte Membranen wegen ihrer geringen Flexibilität im Vergleich zu Elastomer-Druckkissen nur kleine Höhendifferenzen ausgleichen.
  • Eine Ausführungsform einer neuartigen Verbindungsanordnung ist in 5 gezeigt, die eine Querschnittsansicht eines offenen Werkzeugs ist. Ein unteres Werkzeug 95 enthält eine Anordnung aus Komponenten, die montiert werden sollen, die, wie in 3 beschrieben, elektronische Bauelemente umfasst. Eine Basisplatte 3 ist mit präziser Positionierung in einer heizbaren Halterung 14 angeordnet, wobei sich die Temperatur der Halterung 14 zwischen 150 und 270°C ändern kann, z.B. 250°C. Auf der Basisplatte 3 befindet sich das DCB-Substrat 2, 21, 22, 23, auf dem die Leistungshalbleiterbauelemente 1, 11 mit hinzugefügten Metallkontakten 12 und 13 angeordnet sind. Komponenten 3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13 sollen mittels Sinterschichten 4, 41, 42, 43, 44 miteinander verbunden werden. Dazu wird die heizbare Halterung 14 auf einem Sitz 94 positioniert, der wiederum in ein Unterwerkzeuggehäuse 93 eingesetzt ist. Das mit den zu montierenden Komponenten ausgestattete Unterwerkzeug 95 und das Oberwerkzeug 96 können aufeinander zu bewegt werden, beispielsweise indem das Unterwerkzeug 95 gegen das Oberwerkzeug 96 bewegt wird.
  • Das Oberwerkzeug 96 umfasst ein Druckkissen 5, das in einer Ebene über Druckstempeln 7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83 angeordnet ist und durch einen Film 6 gegenüber dem Eindringen der Stempel geschützt ist. Das Druckkissen 5 kann Fluoren-Polymere, Polyurethan-Elastomere oder Silikon umfassen, wobei das Polyurethan-Elastomer beispielsweise Eladur sein kann. Der Film 6 zwischen dem Druckkissen 5 und den Stempeln 7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83 kann gleichermaßen aus Polyurethan-Elastomeren wie etwa Eladur hergestellt sein.
  • Wie 5 zeigt, sind die Längenabmessungen der individuellen Stempel auf die Nennhöhenabmessungen der Anordnung von Komponenten, die montiert werden sollen, angepasst. Die Stempel 7 und 71 werden verwendet, um einen Druck auf die Schicht 21 auszuüben, wobei die Stempel 7 zusammen mit den Stempeln 72 den Druck auf die Schicht 23 erzeugen. Die Stempel 8, 81 üben einen Druck auf das Halbleiterbauelement aus, wobei die Stempel 82, 83 den Druck auf das Halbleiterbauelement 11 ausüben. Die Stempel 15, 16 üben den Druck auf die zu den Bauelementen 1, 11 hinzugefügten Kontakte 12, 13 aus. Aufgrund der Fließeigenschaften des Druckkissens 5 und des Filmes 6 werden die verbleibenden Höhentoleranzen zwischen der Höhentopographie der Anordnung aus zu montierenden Komponenten 3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13 und den Stempeln 7, 8, 15, 16, 71, 81, 82, 83 durch das Druckkissen 5 bzw. durch den Film 6 ausgeglichen.
  • In diesem Zusammenhang können die Härteeinstellung und die Dicke des Films 6 so gewählt werden, dass ein gleichmäßiger hydrostatischer Druck auf die individuellen Stempel ausgeübt wird. Eine direkte Wirkung des Druckkissens 5 auf die Komponenten 1, 11, 12, 13, 21, 23, wird vermieden, was die Lebensdauer des Druckkissens 5 begünstigt. Eine Kontamination der Komponenten 3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13, die durch die Verwendung des Druckkissenmaterials des Druckkissens 5 montiert werden sollen, wird auf ein Minimum reduziert, da sich das Druckkissen 5 nicht länger in direkter Nähe zu den zu montierenden Komponenten 3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13 befindet.
  • Das Oberwerkzeug 96 weist eine Stempelführung 9, 91 auf, die von extern angeordneten Stempeln 71, 72 des Stempelpakets 7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83 flankiert ist. Unter der Stempelführung 9, 91 sind Niederhalteelemente 10, 101 angeordnet, die elastisch mit den Stempelführungen 9, 10 verbunden sind und bei geschlossenem Werkzeug 95, 96 den Ausgleichsfilm 6 gegen das Druckkissen drücken. Alle Stempel liegen in heizbarer Form vor. Abgesehen von der Anordnung der Stempel als ein individuelle Stempel enthaltendes Stempelpaket umfasst eine andere Anordnung segmentierte Stempel, die anstelle einer planaren Oberfläche eine Oberfläche mit Gebieten unterschiedlicher Höhe, gemessen ab der Stempelhalterung auf dem Film 6, aufweisen. Der Druck eines individuellen Stempels ist über eine flache Oberfläche einer Komponente homogen verteilt. Alternativ wird eine homogene Druckverteilung über flache Oberflächen von mehreren Komponenten, die sich in unterschiedlichen Höhen befinden, durch die Verwendung segmentierter Stempel erreicht. Es kann auch eine Kombination aus individuellen und segmentierten Stempeln gewählt werden.
  • Zum Schutz der zu montierenden Komponenten 3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13 vor mechanischer Beschädigung sind diese von einem Ausgleichsfilm 19 bedeckt, der sich zwischen dem Unterwerkzeug 95 und dem Oberwerkzeug 96 befindet. Die Härte und Dicke dieses Films kann derart gewählt werden, dass die Oberflächentopographie der Anordnung, die zu montierende Kompo nenten umfasst, vollständig ausgeglichen wird. Der Ausgleichsfilm 19 umfasst bevorzugt einen PTFE-Film.
  • In 6 ist eine Draufsicht auf die Seite des Oberwerkzeugs 96 zu sehen, die den zu montierenden Komponenten gegenüberliegt. Die Stempel 7, 8, 15, 16, 17, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 81, 82 sind von der Kolbenführung 9 umgeben, und ihre Abmessungen sind auf die Nennabmessungen der Anordnung angepasst, die montiert werden soll.
  • Als Alternative zu der Anordnung mit einer planaren Basisplatte 3, wie sie in 5 gezeigt ist, gestattet eine geeignete Formgebung der Komponentenhalterung 14 und des Stempelpakets das Implementieren eines willkürlich gestalteten Designs für die zu montierenden Komponenten 3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13. Bei einer weiteren Alternative kann die Basisplatte 3 mit Hilfe einer konkaven Formgebung der Komponentenhalterung 14 und mit einer konvexen Formgebung des Stempelpakets mit einer konvexen Gestalt hergestellt werden. Die erforderlichen Geometrien in der Komponentenhalterung 14 und an dem Stempelpaket, die sich aus der Biegung der Basisplatte 31 ergeben, werden durch eine Vorjustierung erzielt. Eine Feinabstimmung kann unter Verwendung des Ausgleichsfilms 19 und der Hydrostatik des Druckkissens 5 erfolgen. Eine Querschnittsansicht einer weiteren Anordnung bei geschlossenem Werkzeug ist 7. Der Stempel 8 befindet sich auf dem Halbleiterbauelement 1, durch den Film 19 beabstandet. Das Halbleiterbauelement 1 weist bestimmte Merkmale auf, wie beispielsweise etwa eine Imidbeschichtung 18. Der Ausgleichsfilm 19 gestattet die homogene Verteilung des Drucks von dem Stempel über das Halbleiterbauelement 1.
  • Die Anordnung von 8 umfasst ein geschlossenes Werkzeug und eine gebogene Basisplatte 3. Eine durch die Formgebung der Komponentenhalterung 14 am Ort des Halbleiterbauelements 1 verursachte Biegung kann dazu führen, dass sich das Leistungshalbleiterbauelement 1 relativ zum Stempel 8 in einer schrägen Lage 35 befindet. Es ist ersichtlich, dass der Film 19 die möglicherweise schräge Lage 35 zwischen dem Stempel 8 und dem Halbleiterbauelement 1 aufgrund dessen ausgleicht, dass das Material des Films 19 zunehmend in die freien Räume zwischen den Stempeln 8 und dem Bauelement 1 fließt, die durch die schräge Lage 35 verursacht werden. Selbst wenn die Formgebung der Basisplatte 3 nicht planar ist, wird von dem Druckkolben 8 eine gleichmäßige Druckverteilung auf dem Halbleiterbauelement 1 sichergestellt.
  • Ein schematisches Weg-Druck-Diagramm für zwei Materialien 51, 55 für das Druckkissen 5 ist in 9 gezeigt. Die horizontale Linie 103 steht für einen hydrostatischen Druck von etwa 30 MPa. Dieser Druck sollte innerhalb eines sicheren Weges 102, 104 auf einer möglichst steilen Kraft-Weg-Kurve erreicht werden. Die Wege 102, 104 werden aufgrund von Hohlräumen in dem eingeklemmten Druckkissen 5, Höhentoleranzen beim Design des Oberwerkzeugs 96 und/oder aufgrund von Stempelhöhentoleranzen erreicht, als Beispiel. Ein Vergleich zwischen den Materialien Silikon (53) und Polyurethan (57) zeigt, dass der weg zum Aufbauen des hydrostatischen Drucks 103 im Fall von Polyurethan 102 etwa 1/3 des Weges für Silikon 104 beträgt. Der Druckkorridor 105, der sich in der Regel zwischen 20 und 40 MPa bewegt, kann durch den flexiblen Einsatz von Materialien für das Druckkissen 5 signifikant verkürzt werden, wie 9 zeigt. Offenporige Materialien wie etwa Polyurethanelastomere, insbesondere Eladur, eignen sich, um hohe Drücke schnell zu erreichen.
  • Als eine Alternative zu der Anordnung von 9 kann das Werkzeug von inversem Design sein, d.h. mit dem Druckkissen 5 und dem Stempelpaket in dem Unterwerkzeug 95. Durch diese Anordnung erzielt man den Vorteil, dass die zu verbindenden Komponenten unter Verwendung einer Positionierungshilfe in dem Unterwerkzeug aufeinandergestapelt werden können. Auf diese Weise bleiben Komponenten, die noch nicht miteinander verbunden worden sind, an ihrer Position, bis das Unterwerk zeug 95 und das Oberwerkzeug 96 geschlossen sind. Diesen Vorteil erreicht man aufgrund der Tatsache, dass das Druckkissen nicht länger direkt auf den Komponenten angeordnet ist, die verbunden werden sollen, sondern vielmehr zu einer anderen Ebene des Werkzeugs bewegt wird. Der Druck zum Herstellen der Verbindung wird mit Hilfe von Druckstempeln eingeführt.
  • Die oben umrissenen neuartigen Anordnungen gestatten den Einsatz von Drücken zum Ausüben von Niedertemperatur-Fügetechniken. Dementsprechend werden das Abändern von Fügeparametern und die Kontamination der zu verbindenden Komponenten verhindert.
  • Bei diesen Anordnungen wird das Druckkissen zu einer Ebene des Werkzeugs bewegt, die sich in einem derartigen Abstand von den Komponenten befindet, die verbunden werden sollen, dass die Temperatur, die dort auftritt, niedriger ist als die Temperatur am Ort der zu verbindenden Komponenten. Die Einführung von Kraft in die zu verbindenden Komponenten erfolgt durch Metall- oder Keramikkolben zwischen den Komponenten und dem Druckkissen. Alternativ können zum Abdecken von größeren Komponentenoberflächenbereichen segmentierte Stempel mit unterschiedlichen Höhen auf der Stempeloberfläche verwendet werden.
  • Ein Vorteil ist der Schutz des Druckkissens vor möglicher mechanischer Beschädigung. Dies kann durch Einführen eines Films zwischen das Druckkissen und die Stempel erfolgen. Die Schichtdicke und Härte dieses Films sind derart, dass er erstens eine gleichförmige Druckverteilung über die verfügbaren Stempel sicherstellt und zweitens das elastische Druckkissen vor Beschädigung schützt. Auf diese Weise werden konstante Fügeparameter während des Fügeprozesses erzielt.
  • Außerdem gestatten diese Anordnungen, dass die gleichzeitige Verbindung der Halbleiterbauelemente 1, 11 mit einem Substrat 2 über die Schichten 21, 23 und mit einer Basisplatte 3, 31 über die Schicht 22 in dem gleichen Prozessschritt durch die Verbindung weiterer Komponenten 12, 13 miteinander in zusätzlichen Schichten 42, 43 vervollständigt wird. In diesem Fall sind zusätzliche Metallkontakte 12, 13 besonders angebracht, deren kleiner Oberflächeninhalt und scharfe Ecken früher bedeuteten, dass sie nur in einem separaten Prozess mit den Halbleiterbauelementen 1, 11 verbunden werden konnten.
  • Ein weiterer vorteilhafter Aspekt ist, dass wärmeempfindliche Materialien ebenfalls zur Verwendung als Druckkissen verwendet werden können, da das Druckkissen nicht in direkten Kontakt mit den Komponenten tritt, die wärmebehandelt werden sollen.
  • Eine weitere Verbesserung bei der Prozessstabilität beim Montieren der Komponenten wird infolge eines zweiten Films erreicht, der zwischen die Stempel und die zu montierenden Komponenten eingeführt wird. Die ausgleichende Eigenschaft des zweiten Films bedeutet, dass die Stempel nicht länger eine mechanische Beschädigung an den zu montierenden Komponenten verursachen können. Die Stempel sind deshalb sowohl von dem Druckkissen, das durch einen ersten Film geschützt wird, als auch von den zu montierenden Komponenten infolge des zweiten Films beabstandet. Die Härte und Dicke des zweiten Films sind derart gewählt, dass die Oberflächentopographie der Komponenten vollständig ausgeglichen werden kann.

Claims (30)

  1. Vorrichtung zum Verbinden von mindestens zwei Komponenten, wobei die Vorrichtung ein Ober- (96) und ein Unterwerkzeug (95) aufweist, wobei das Unterwerkzeug (95) die mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) umfasst, wobei eine erste Komponente (3) die mindestens eine zweite Komponente (2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) mit einem zumindest teilweisen Überlapp relativ zur ersten Komponente (3) trägt; das Unterwerkzeug (95) und das Oberwerkzeug (96) relativ zueinander bewegt werden können; das Oberwerkzeug (96) mindestens zwei heizbare Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) umfasst, die so verbunden sind, dass sie sich relativ zueinander über ein abgedichtetes Druckkissen (5) bewegen können; wobei die Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) und das Druckkissen (5) zwischen sich eine erste flexible Schicht (6) aufweisen; und das Oberwerkzeug (96) und das Unterwerkzeug (95) eine zwischen sich angeordnete zweite flexible Schicht (19) aufweisen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine der zu verbindenden Komponenten eine Basisplatte (3), ein Substrat (2), ein Halbleiterbauelement (1, 11) oder ein zusätzlicher Kontakt (12, 13) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Basisplatte (3) von planarem Design, vorgeformt oder gebogen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Substrat (2, 21, 22, 23) ein DCB-Substrat (Direct Copper Bonding), ein AMB-Substrat (Active Metal Brazing), ein DAB-Substrat (Direct Aluminium Bonding) oder ein regelmäßiges Substrat vom Hartlöttyp ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Halbleiterbauelement (1, 11) ein Leistungshalbleiterbauelement ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der zusätzliche Kontakt (12, 13) ein Metallkontakt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der zusätzliche Kontakt (12, 13) plattenförmig ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der zusätzliche Kontakt (12, 13) aus Cu hergestellt ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens eine Verbindung durch eine Sinterschicht (4, 41, 42, 43, 44) ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Sinterschicht (4, 41, 42, 43, 44) durch eine Niedertemperatur-Fügetechnik hergestellt ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jeder der Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) eine Oberfläche aufweist, die planar relativ zu einer Komponente (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) ist, die verbunden werden soll, oder eine Oberfläche, die in verschiedene Höhen unterteilt ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Druckkissen (5) und die erste (3) und zweite (19) flexible Schicht elastischen Kunststoff umfassen.
  13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Druckkissen (5) Fluorenpolymere, Polyurethanelastomere und/oder Silikon umfasst.
  14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste flexible Schicht Polyurethanelastomere umfasst.
  15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Druckkissen (5) und/oder die erste flexible Schicht (3) aus Eladur hergestellt sind.
  16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite flexible Schicht (19) PTFE (Teflon) umfasst.
  17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Druck auf die mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) zwischen 20 und 40 MPa beträgt.
  18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der sich die mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) auf einer heizbaren Halterung (14) befinden.
  19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Temperaturdifferenz zwischen den mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) zwischen 150 und 270 Grad Celsius beträgt.
  20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Oberwerkzeug (96) unter dem Unterwerkzeug (95) angeordnet ist.
  21. Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) unter Ver wendung eines Ober- (96) und eines Unterwerkzeugs (95), die folgenden Schritte umfassend: Einlegen der mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) in das Unterwerkzeug (95), wobei eine erste Komponente (3) die mindestens eine zweite Komponente (2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) mit einem zumindest teilweisen Überlapp relativ zur ersten Komponente (3) trägt; wobei das Oberwerkzeug (96) mit mindestens zwei heizbaren Stempeln (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) ausgelegt ist, die so verbunden sind, dass sie sich relativ zueinander über ein abgedichtetes Druckkissen (5) bewegen können; Einlegen einer ersten flexiblen Schicht (6) zwischen die Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) und das Druckkissen (5); Anordnen einer zweiten flexiblen Schicht (19) zwischen dem Oberwerkzeug (96) und dem Unterwerkzeug (95) und Bewegen des Unterwerkzeugs (95) und des Oberwerkzeugs (96) relativ zueinander.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem eine der Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) eine Basisplatte (3) ist, wobei bei dem Schritt des Bewegens des Unterwerkzeugs (95) und des Oberwerkzeugs (96) relativ zueinander eine planare oder vorgeformte Gestalt der Basisplatte (3) unverändert bleibt.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, bei dem eine der Komponenten eine Basisplatte (3) ist, die bei dem Schritt des Bewegens des Unterwerkzeugs (95) und des Oberwerkzeugs (96) relativ zueinander gebogen wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, das weiterhin einen Schritt des Sinterns mindestens einer der Verbindungen umfasst.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei dem der Schritt des Sinterns mindestens einer der Verbindungen eine Niedrigtemperatur-Fügetechnik beinhaltet.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem der Schritt des Bewegens des Unterwerkzeugs (95) und des Oberwerkzeugs (96) relativ zueinander beinhaltet, dass der Druck jedes der Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) homogen über eine flache Oberfläche einer Komponente (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) oder über flache Oberflächen von mehreren Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13), die in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind, verteilt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei dem der Schritt des Bewegens des Unterwerkzeugs (95) und des Oberwerkzeugs (96) relativ zueinander das Ausüben eines Drucks auf die mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) zwischen 20 und 40 MPa beinhaltet.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, weiterhin umfassend einen Schritt des Erhitzens der mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) durch eine Halterung (14), auf der sich die Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) befinden.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, weiterhin umfassend einen Schritt des Erzeugens einer Temperaturdifferenz zwischen den mindestens zwei Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) im Bereich zwischen 150 und 270 Grad Celsius.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, bei dem der Schritt des Bewegens des Unterwerkzeugs (95) und des Oberwerkzeugs (96) relativ zueinander beinhaltet, dass das Druckkissen (5) und die mindestens zwei heizbaren Stempel (7, 8, 15, 16, 71, 72, 81, 82, 83) als Positionierungshilfe in dem Unterwerkzeug (95) für die zu verbindenden Komponenten (3, 2, 21, 22, 23, 1, 11, 12, 13) verwendet wird.
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