DE102008055138A1 - Hochtemperaturbeständige lötmittelfreie Bauelementstruktur und Verfahren zum elektrischen Kontaktieren - Google Patents

Hochtemperaturbeständige lötmittelfreie Bauelementstruktur und Verfahren zum elektrischen Kontaktieren Download PDF

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Daniel Wolde-Giorgis
Martin Rittner
Alfred Goerlach
Thomas Kalich
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauelementstruktur, umfassend: ein elektrisches oder elektronisches Bauelement mit einer oberen Kontaktfläche auf einer Oberseite des Bauelements und einer unteren Kontaktfläche auf einer gegenüberliegenden Unterseite des Bauelements; einer oberen Metallschicht und einer unteren Metallschicht und einer oberen porösen Zwischenschicht und einer unteren porösen Zwischenschicht. Die obere Zwischenschicht verbindet die obere Metallschicht mit der oberen Kontaktfläche mechanisch und elektrisch leitend und die untere Zwischenschicht verbindet die untere Metallschicht mit der unteren Kontaktfläche mechanisch und elektrisch leitend.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Kontakten zu Bauelementen sowie eine Bauelementstruktur mit lotfreien und hochtemperaturbeständigen Kontaktstellen.
  • Elektrische Bauelemente umfassen eine wirkende Komponente sowie Verbindungselemente, mit denen die wirkende Komponente von außen kontaktiert werden kann. In vielen Bereichen wird Lötmittel verwendet, um elektrische Kontaktierungen in Schaltungen und in Bauelementen herzustellen. Das hierzu verwendete Weichlot weist einen geringen Schmelzpunkt auf, um bei der Verlötung die Funktionskomponente des Bauelements nicht zu zerstören. Gleichzeitig führt der niedrige Schmelzpunkt dazu, dass die gelötete Schaltung nur in einem Temperaturbereich verwendet werden kann, der deutlich unter der Schmelztemperatur des Lotmaterials liegt. Darüber hinaus sind einige Lotmaterialien Bleilegierungen, so dass zusätzlich hinsichtlich der Entsorgung Umweltaspekte zu beachten sind, hierzu wurden bereits Umweltstandards wie RoHS entwickelt, die bleihaltige Lote prinzipiell ausschließen.
  • Insbesondere bei Verwendung im Automobilbereich, beispielsweise bei Generatoranwendungen, sind jedoch hohe Temperaturbelastungen unvermeidlich, die nicht mit dem niedrigen Schmelzpunkt des Lots zu vereinbaren sind. Es existiert daher ein Mangel an bleifreien Weichloten bzw. Ersatzlegierungen ab einer Temperatur von 235°C.
  • Es bestehen bereits erste Ansätze, anstatt einer Lötverbindung eine Verbindung mittels Sinterwerkstoff vorzusehen, der durch einen Fügeprozess geformt wird, um eine Funktionskomponente eines Bauteils mit zugehörigen elektrischen Verbindungen, beispielsweise Metallblechen, zu verbinden. „Low temperature sinter technology die attachment for automotive power electronic applications" von C. Göbel, P. Beckedahl und H. Bramel, Automotive power electronics, 21–22 June 2006, Paris, werden Silberpasten vorgeschlagen, welche als Schicht zwischen einem Siliziumchip und einem Blech vorgesehen sind. Mit einem Druck von 40 MPa wird ein Stempel an den Chip herangeführt und auf die Schicht gepresst. Dieser Prozess belastet den Chip stark, so dass insbesondere bei dünnen Chips aufgrund der mangelnden Elastizität von Silizium bei der Verarbeitung hohe Ausschussraten auftreten. Zudem fehlt ein Gehäuse, das die Oberseite des Chips schützt, die üblicherweise durch gegossene Gehäusemasse vorgesehen wird. Insbesondere bei hohen Temperaturschwankungen wie sie im Automobilbereich auftreten, führt diese Materialkombination und Struktur (Schichtenaufbau von Gehäusematerial/Silizium/Sinterschicht/Kupferblech) zu starken mechanischen Spannungen, insbesondere am Chip. Dadurch ergibt sich eine höhere Temperaturempfindlichkeit, insbesondere bei starken und häufigen Temperaturschwankungen, und somit eine hohe Ausfallrate. Ferner führen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer relativ niedrigen Maximaltemperatur, ab der eine weitere Erhöhung zu unerwünscht hohen mechanischen Spannungen zwischen Chip und umgebender Struktur führt. Dadurch ist der Einsatzbereich bei hohen Temperaturen begrenzt.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Bauelementstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung der Bauelementstruktur vorzusehen, bei dem das Bauelement weder bei Fertigung noch bei höheren Temperaturen oder bei hohen Temperaturschwankungen hohen mechanischen Spannungen ausgesetzt ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung ermöglicht einen Einsatz bei hohen Temperaturen und bei großen Temperaturschwankungen und verringert ferner mechanische Spannungen zwischen dem Bauelement und den damit verbundenen Kontaktstrukturen. Insbesondere erlaubt der erfindungsgemäße Aufbau die Verarbeitung von elektronischen Bauelementen bzw. elektrischen Bauelementen, ohne diesen bei der Kontaktierung hohen Kräften auszusetzen.
  • Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch Einbetten des elektronischen oder elektrischen Bauelements zwischen zwei porösen Zwischenschichten. Die Verformung (eine Kombination aus plastischer und elastischer Verformung) der beiden Zwischenschichten gewährleistet, dass das Bauelement keinen hohen Druckwerten ausgesetzt ist, wobei ein Großteil der bei der Kontaktierung auftretenden Kraft durch Verformung der Zwischenschichten und nicht durch ein elektronisches Bauteil aufgenommen wird. Insbesondere erlauben die Zwischenschichten eine symmetrische Kontaktierung und somit eine beidseitige Einbettung des Bauelements in eine verformbare Schicht, die beim durch Druck vorgesehenen Kontaktierungsvorgang durch plastische (und teilweise elastische) Verformung entstehende Kräfte auf nimmt und somit insbesondere spröde Bauelemente vor übermäßigen mechanischen Belastungen schützt. In gleicher Weise schützen die beidseitig angeordneten Zwischenschichten das Bauelement vor starken Kräften, die sich bei höheren Temperaturen und bei hohen Temperaturschwankungen ergeben.
  • Durch die verformbaren Zwischenschichten wird das Bauelement „schwimmend” befestigt, so dass zu beiden Seiten des Bauelements durch die jeweilige Zwischenschicht mechanische Puffer vorgesehen sind, durch deren Verformung die durch Verformung vorgesehene Belastung des Bauelements wesentlich verringert wird. Um die Zwischenschicht mit einer ausreichenden Verformbarkeit auszugestalten, sind diese porös ausgebildet, wobei durch die Poren Raum für Verformungen vorgesehen wird, welche wiederum zur Aufnahme von verformendem Material der Zwischenschicht dienen. Durch die Poren wird die Verformbarkeit deutlich erhöht, so dass bereits bei niedrigen Temperaturen und geringen Kräften die Zwischenschicht durch Verformung das dazwischen liegende elektrische oder elektronische Bauelement schützt.
  • Die Erfindung wird somit umgesetzt von einer Bauelementstruktur, die umfasst: ein elektrisches oder elektronisches Bauelement mit einer oberen Kontaktfläche auf einer Oberseite des Bauelements und einer unteren Kontaktfläche auf einer Unterseite des Bauelements. Das Bauelement ist vorzugsweise als eine flache Form ausgebildet, beispielsweise als Halbleiter-Die, beispielsweise ein Abschnitt einer zerteilten Silizium-Wafer. Insbesondere bei Silizium-Dies ist eine Lagerung mit geringer mechanischer Spannung notwendig, da das Die bezogen auf die Querschnittsfläche dünn ausgebildet ist, und das Material selbst kaum elastische Eigenschaften zeigt, bzw. durch hohe Sprödigkeit auch bei geringen mechanischen Verformungen durch Bruch zerstört werden kann. Die Erfindung betrifft im Wesentlichen Bauelemente, die als Halbleiter-Wafer (bzw. ein abgetrennter Teil hiervon) ausgebildet sind. Jedoch eignet sich die erfindungsgemäße Struktur auch für substratgebundene Schaltungen, Dickfilmschaltungen oder Dünnfilmschaltungen, die ebenso flach ausgebildet sind und aufgrund ihrer dünnen Bauform und der zugehörigen Materialeigenschaften bei geringen Verformungen ebenso Gefahr laufen, zerstört zu werden.
  • Das Bauelement umfasst vorzugsweise nur eine obere Kontaktfläche und nur eine untere Kontaktfläche oder eine Mehrzahl an oberen und unteren Kontaktflächen, die jeweils miteinander elektrisch unmittelbar verbunden sind oder miteinander elektrisch unmittelbar verbunden werden können, ohne den Betrieb der Schaltung negativ zu beeinflussen. Dadurch wird die Anordnung und Verpressung des Bauelements mit der jeweiligen Zwischenschicht einfacher, da die jeweilige gesamte Zwischenschicht die gesamte Oberseite bzw. gesamte Unterseite des Bauelements berühren kann.
  • Die Bauelementstruktur umfasst ferner eine obere Metallschicht und eine untere Metallschicht, sowie eine obere poröse Zwischenschicht und eine untere poröse Zwischenschicht. Die Zwischenschicht dient zum einen zur Kontaktierung der jeweiligen Seite des Bauelements und zum anderen zur Verbindung mit der Metallschicht. Zwischen einer jeweiligen Seite des Bauelements und einer Metallschicht ist somit erfindungsgemäß immer eine poröse Zwischenschicht vorgesehen. Die Zwischenschicht verbindet die jeweilige Metallschicht und die jeweilige Kontaktfläche des Bauelements mechanisch und elektrisch leitend (d. h. galvanisch). Es ergibt sich somit eine im Wesentlichen symmetrische Struktur, bei der das Bauelement in der Mitte liegt und die entgegengesetzten Kontaktflächen des Bauelements mit der Zwischenschicht verbunden sind, welche wiederum jeweils eine weiter außen liegende Metallschicht kontaktiert.
  • Die jeweilige (d. h. die obere oder die untere) Zwischenschicht kann mit der jeweiligen Metallschicht (d. h. der oberen oder der unteren) unmittelbar verbunden sein. Alternativ kann die Verbindung auch über eine Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein. Die Oberflächenbeschichtung ist vorzugsweise auf der Seite der Metallschicht angebracht, die zu der jeweiligen Zwischenschicht hin gewandt ist. Die obere Metallschicht kann mit der oberen Zwischenschicht so verbunden sein, wie die untere Zwischenschicht mit der unteren Metallschicht verbunden ist, oder die Metallschichten können auf unterschiedliche Weise mit der zugeordneten Zwischenschicht verbunden sein. Somit kann eine Oberflächenbeschichtung einer Metallschicht (d. h. der unteren oder der oberen) vorgesehen sein, oder es können beide Metallschichten mit einer Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein. Die Oberflächenbeschichtung ist an der Innenseite der jeweiligen Metallschicht angebracht, d. h. an der Seite der Metallschicht, die der Zwischenschicht und auch dem Bauelement zugewandt ist. Das Material der Oberflächenbeschichtung kann Au, Ag, Ni, Pt, Pd, Legierungen dieser Elemente, NiP, oder eine Kombination umfassen. Hierbei hat NiP einen Phosphoranteil von weniger als 10%, weniger als 6%, weniger als 3% oder weniger als 2% bezogen auf das Gewicht, und einen Phosphoranteil von mehr als 1% bezogen auf das Gewicht. Alternativ kann der Phosphoranteil auch größer als 0,5% oder größer als 0,1% bezogen auf das Gewicht sein.
  • Auch die Kontaktflächen des elektrischen oder elektronischen Bauelements können eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, vorzugsweise eine Oberflächenbeschichtung, die der Oberflächenbeschichtung der Metallschichten entspricht, wie sie vorangehend beschrieben wurde. Die Oberflächenbeschichtung des Bauelements bzw. deren Kontaktfläche oder Kontaktflächen ist der Zwischenschicht zugewandt.
  • Die Oberflächenbeschichtung der Kontaktflächen, der Metallschicht oder beider Strukturkomponenten kann einlagig oder mehrlagig sein, wobei jede Schicht ein anderes dieser Materialien oder eine andere Mischung oder Legierung dieser Materialien umfassen kann. Die Materialien der Schichten können an Grenzflächen benachbarter Schichten ineinander übergehen, beispielsweise gemäß eines Diffusionsverlaufs. Ein mehrlagiger Aufbau der Oberflächenbeschichtung der Metallschichten oder der Kontaktflächen des Bauelements kann eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht umfassen, die der Zwischenschicht zugewandt ist, und die mittelbar oder unmittelbar an diese angrenzt. Die erste Schicht kann insbesondere Ni, oder NiP wie oben beschrieben umfassen, und die zweite Schicht kann insbesondere Au, Ag, Pt, Pd oder eine Kombination umfassen. Die erste Schicht der Oberflächenbeschichtung der Kontaktflächen grenzt mittelbar oder unmittelbar an das Bauelement an, und die erste Schicht der Oberflächenbeschichtung der Metallschicht grenzt mittelbar oder unmittelbar an die Metallschicht an.
  • Die Kontaktflächen des elektrischen oder elektronischen Bauelements sind an beiden Außenseiten des Bauelements angeordnet und umfassen eine leitende Fläche. Die leitende Fläche erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Oberfläche der jeweiligen Seite des Bauelements. Die leitende Fläche kann aus der Oberfläche des Bauelements herausragen, in dem Bauelement zur Mitte des Bauelements hin versetzt sein oder mit der gesamten Oberfläche des Bauelements fluchten, falls die Kontaktoberfläche nicht die gesamte Oberfläche der jeweiligen Seite des Bauelements umgreift. Als leitende Oberfläche eignen sich insbesondere stark dotierte Oberflächenschichten einer Halbleiterstruktur. Alternativ kann eine Metallisierungsschicht einer Halbleiterstruktur die Kontaktfläche vorsehen. Die obere Kontaktfläche ist vorzugsweise wie die untere Kontaktfläche ausgebildet, wobei jedoch auch die Kontaktflächen unterschiedlich ausgebildet sein können, beispielsweise mit unterschiedlichen Strukturen oder mit unterschiedlichen Materialien (beispielsweise stark dotierter Halbleiter- oder Metallschicht).
  • Vorzugsweise sind die Kontaktflächen eben ausgebildet, d. h. erstrecken sich entlang einer Ebene, beispielsweise im Falle eines Halbleiter-Die, bei der ebenso die gesamten beiden gegenüberliegenden Oberflächen sich entlang einer Ebene erstrecken. Alternativ können die beiden Kontaktflächen Abschnitte mit verschiedenen Höhen aufweisen, wobei der maximale Höhenunterschied vorzugsweise deutlich geringer als eine Abmessung (beispielsweise Länge oder Breite) der Substratoberfläche ist, beispielsweise weniger als 5%. Die Zwischenschicht kann derartige Unebenheiten durch ihre Verformbarkeit aufnehmen, ohne Inhomogenitäten des punktuellen Kontaktwiderstands bzw. des auf das Bauelement ausgeübten Drucks zu erzeugen.
  • Die Zwischenschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 5–200 μm, besonders bevorzugt 10–100 μm, weiterhin bevorzugt 20–70 μm oder insbesondere bevorzugt 30–50 μm auf. Die Zwischenschicht ist aus Ag, Au, Cu, Al oder einer Mischung einer oder mehrerer dieser Komponenten ausgebildet. Die Zwischenschicht umfasst vorzugsweise eine Oberfläche, die direkt an das Bauelement angrenzt, und die eben ist bzw. einen zur Bauelementoberfläche komplementären Verlauf aufweist. Die Zwischenschicht hat eine Porengröße von 0,1–20 μm, 0,3–15 μm, oder besonders bevorzugt 0,6–10 μm (bezogen auf die Maximaldistanz innerhalb des jeweiligen Porenraums). Die Verformbarkeit ist ferner definiert durch das Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvolumen der Zwischenschichten. Dies beträgt vorzugsweise mindestens 10%, mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens 50% oder mindestens 60%. Die Porosität der Zwischenschichten wird erreicht, indem diese als gesinterte Metallschicht ausgebildet ist oder als eine Metallschicht, in der in allgemeiner Weise Poren vorgesehen sind. Beispielsweise lassen sich die Poren mittels Platzhalterpartikel erzeugen, die aus der Zwischenschicht entfernt werden, gut komprimierbar sind oder in eine Form ungewandelt werden, bei der das in der Pore befindliche Material gut zu komprimieren ist. Beispielsweise kann hierzu ein Füllmittel aus organischem Material verwendet werden, das sich bei Erhitzung zumindest teilweise in Gas umwandelt. Zudem können die Poren auch durch ein flüssiges Medium vorgesehen sein, in dem das Material der Zwischenschicht als Suspension vorliegt. Das mit Poren aufgelockerte Material der Zwischenschicht ergibt sich dann bei zumindest teilweiser Entfernung oder Zersetzung des Füllmittels, welches Poren hinterlässt. Diese mit Poren versehene Zwischenschicht stellt den Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar und bildet in poröser Form die Zwischenschicht der erfindungsgemäßen Anordnung. Die poröse Zwischenschicht kann ferner mittels eines pastösen Systems hergestellt werden, das zum einen das verbleibende Material der Zwischenschicht, d. h. ein Metall umfasst, sowie Füllmaterial, das dem Zwischenschichtmaterial eine pastöse Form verleiht und als Platzhalter für Poren dient. Das Füllmaterial kann als Lösungsmittel vorgesehen sein. Die Zwischenschicht bzw. die Zwischenschichten werden vorzugsweise aus einer festen Phase hergestellt, wobei das Material der Zwischenschicht als Festkörper (beispielsweise als Partikel) vorliegt und porenbildendes Material, d. h. Füllmittel, mit dem Material der Zwischenschicht vermischt ist, wobei das Füllmittel zum Vorsehen der porösen Zwischenschicht entfernt oder umgesetzt wird.
  • Während das Bauelement beispielsweise als Halbleiter-Die aus Silizium oder Siliziumcarbid ausgebildet sein kann, können die Metallschichten beispielsweise aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind die Metallschichten vorzugsweise dicker als die Zwischenschichten ausgebildet. Die Metallschichten können eine Dicke von mindestens 0,1 mm, mindestens 0,2 mm, mindestens 0,5 mm, mindestens 1 mm, mindestens 2 mm oder mindes tens 3 mm aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Metallschichten auch bei starken äußeren Kräften eine substantielle statische Stütze für das Bauelement und für die Zwischenschichten darstellen. Vorzugsweise werden die Metallschichten aus einem Material ausgebildet, das einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten aufweist.
  • Um zu vermeiden, dass bei dünnen elektrischen oder elektronischen Bauelementen sich die beiden Zwischenschichten berühren und somit ein unerwünschter elektrischer Kontakt entsteht, können Abschnitthalter verwendet werden oder eine Isolierschicht, welche die beiden Zwischenschichten voneinander trennt, oder aus einer Kombination hiervon. Eine derartige Isolationsschicht erstreckt sich außerhalb des Bauelements, beispielsweise indem die Isolationsschicht eine Aussparung umfasst, in der das Bauelement genau eingepasst ist oder das Bauelement zuzüglich eines Rahmens vorgesehen ist, in dem sich ebenso kein Material der Isolationsschicht erstreckt. Ist zwischen elektronischem Bauelement und Innenrand der Isolationsschicht ein zusätzlicher Rahmen vorgesehen, so dient dieser zur Ausgleichung von Toleranzen und von unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten. Die Isolationsschicht kann so dick wie das Bauelement ausgebildet sein oder kann mit einer Dicke ausgebildet sein, die kleiner als die Dicke des elektronischen Bauelements ist.
  • Die Erfindung wird ferner realisiert durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bauelementstruktur mit den Schritten (a) Anordnen eines elektrischen oder elektronischen Bauelements zwischen einer oberen porösen Zwischenschicht und einer unteren porösen Zwischenschicht, wobei das Bauelement sowie die Zwischenschicht wie oben beschrieben ausgebildet sein können. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt (b) des Anordnens der oberen und der unteren Zwischenschicht zwischen eine obere Metallschicht und eine untere Metallschicht, wobei die Zwischenschicht und die Metallschicht wie oben beschrieben ausgebildet sein können. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt (c) des Fügens der der Metallschichten, der Zwischenschichten und des zwischenliegenden Bauelements durch Ausüben von Druck auf Außenseiten der Metallschichten, die von dem Bauelement abgewandt sind. Die Kontaktierungsschnittstelle zwischen Metallschicht und Zwischenschicht ist somit auf der entgegengesetzten Seite der Metallschicht, an der durch Anbringen beispielsweise eines Stempels oder eines anderen Fügewerkzeugs Druck auf die noch nicht vereinte Bauelementstruktur ausgeübt wird, um diese durch Fügen vollständig auszubilden.
  • Der Schritt (c) des Fügens der Metallschichten umfasst ferner vorzugsweise elektrisches Verbinden einer auf einer Oberseite des Bauelements vorgesehenen oberen Kontaktfläche mit der oberen Zwischenschicht und, gleichzeitig, elektrisches Verbinden einer auf einer Unterseite des Bauelements vorgesehenen unteren Kontaktfläche mit der unteren Zwischenschicht. Das elektrische Verbinden wird vorgesehen durch unmittelbaren körperlichen Kon takt zwischen Zwischenschicht und Kontaktfläche, d. h. durch Ausbilden eines Formschlusses unmittelbar zwischen der jeweiligen Kontaktfläche und der zugehörigen Zwischenschicht. Die Kontaktflächen können wie oben beschrieben ausgebildet sein. Vorzugsweise sind beide Kontaktflächen gleich groß, so dass beim Fügen mit einer bestimmten Kraft beide Kontaktflächen mit dem gleichen Druck beaufschlagt werden. Ferner sind auch die Kontaktflächen sowie die Zwischenschicht flach (bzw. die Seite, die der jeweiligen Kontaktfläche zugewandt ist), so dass eine aufgebrachte Kraft zu einer Druckverteilung führt, die bezogen auf das Bauelement und deren Kontaktflächen homogen ist.
  • Der Schritt (c) umfasst ferner das elektrische Verbinden der oberen Zwischenschicht mit der oberen Metallschicht bzw. der unteren Zwischenschicht mit der unteren Metallschicht durch unmittelbaren Formschluss oder über einen von einer Oberflächenbeschichtung der jeweiligen Metallschicht vorgesehenen Formschluss. Die elektrische Verbindung zwischen unterer Zwischenschicht und unterer Metallschicht durch unmittelbaren Formschluss oder über einen von einer Oberflächenbeschichtung der unteren Metallschicht vorgesehenen Formschluss wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem elektrischen Verbinden der oberen Zwischenschicht mit der oberen Metallschicht ausgeführt. Das Verbinden der Zwischenschichten mit den Metallschichten wird ferner vorzugsweise gleichzeitig mit dem elektrischen Verbinden der oberen und unteren Kontaktfläche mit der oberen und unteren Zwischenschicht ausgeführt. Dadurch werden alle durch Formschluss vorgesehenen elektrischen Verbindungen gleichzeitig hergestellt: die Verbindung zwischen oberer Metallschicht und der Zwischenschicht, zwischen oberer Zwischenschicht und oberer Kontaktfläche, zwischen unterer Kontaktfläche und unterer Zwischenschicht und zwischen unterer Zwischenschicht und unterer Metallschicht. Die elektrischen Verbindungen werden jeweils durch Formschluss, d. h. durch Aufpressen, ausgebildet. Dadurch wird gleichzeitig auch eine mechanisch belastbare Verbindung an den Stellen hergestellt, an denen eine elektrische Verbindung vorgesehen wird. Mit anderen Worten leistet der jeweilige Formschluss zwischen entsprechenden Komponenten zum einen eine elektrische Verbindung und zum anderen eine mechanische Verbindung, die als zwei Aspekte derselben körperlichen Ausprägung des Formschlusses angesehen werden.
  • Das Fügen umfasst: Prägen oder Pressen mittels einer Gegenfläche und eines Stempels, der zu dieser hin geführt wird. Hierbei ist die (noch nicht fertig gefügte) Bauelementstruktur zwischen Gegenfläche und Stempel angeordnet. Alternativ können zwei Stempel zueinander geführt werden, wobei zwischen diesen die (noch nicht fertig gefügte) Bauelementstruktur angeordnet ist. Stempel, die Gegenfläche oder die Stempel können mit einer flachen Oberfläche vorgesehen sein, um beim Fügen die obere und untere Metallschicht mit einer homogenen Druckverteilung zu beaufschlagen. Alternativ kann das Fügen umfassen: Walzen mit tels einer Gegenfläche und einer Walze, wobei zwischen Gegenfläche und Walze die Bauelementstruktur geführt wird. Die Walze hat vorzugsweise einen konstanten Kreisquerschnitt entlang ihrer Längsachse, wobei die Walze gemäß einer Rotationsachse geführt und gedreht wird, die entlang ihrer Mitte verläuft. Ferner kann das Fügen mittels zweier Walzen, zwischen denen die Bauelementstruktur geführt wird. Diese Walzen sind vorzugsweise ebenso als Kreiszylinder ausgebildet, wobei die Längsachse des Kreiszylinders der Rotationsachse der Walzen entspricht.
  • Durch die beidseitige Verwendung der Zwischenschichten ist es möglich, die erfindungsgemäße Struktur zu fügen, wobei der Druck relativ gering ist, und der Druck während des gesamten Fügeschritts nicht größer als 15 MPa, nicht größer als 10 MPa, nicht größer als 6 MPa, nicht größer als 3 MPa, nicht größer als 1 MPa oder nicht größer als 0,5 MPa ist. Der Druck auf die Außenseiten der Metallschichten wird entweder homogen über die gesamte Fläche der Metallschicht ausgeübt oder, beispielsweise beim Walzen, homogen entlang einer Linie. Der Druck wird ausgeübt durch Aufbringen eines Drucks oder einer Kraft auf Flächenabschnitte, auf einen im Wesentlichen linienförmigen Ausschnitt oder auf die Gesamtfläche der Außenseiten der Metallschichten, wobei diese jeweils symmetrisch zur Mittenebene der Bauelementstruktur sind. Mit anderen Worten wird der Druck vorzugsweise senkrecht auf die Bauelementstruktur ausgeübt, wobei sich die Flächenabschnitte, an denen der Druck auf die Metallschichten ausgeübt wird, gegenüberstehen.
  • Die erfindungsgemäße Bauelementstruktur wird vorzugsweise für Leistungselektronikbauelemente verwendet, die aus Silizium oder Siliziumcarbidschaltungen bestehen. Insbesondere eignet sich die Bauelementstruktur zum Einsatz in der Automobiltechnik, beispielsweise für Leistungsbauelemente zur Steuerung, Regelung oder Gleichrichtung in KFZ-, Stromgeneratoren oder für Leistungselemente, die einen Stromfluss zu Elektromotorantrieben (oder auch zu Startern) steuern. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Darstellung von Einpressdioden am Generatorschild von Kfz-Generatoren. Obwohl sich die Bauelementstruktur prinzipiell für komplette Schaltungen, beispielsweise substratgebundene Schaltungen eignet, die Kontaktflächen aufweisen, wird die Bauelementstruktur vorzugsweise für Bauelemente verwendet, die 2 p-n-Übergänge, 3 p-n-Übergänge oder 5 p-n-Übergänge aufweisen, oder insbesondere für Halbleiter-Leistungsdioden oder Halbleiter-Leistungs-MOSFETs oder Leistungstransistoren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt
  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bauelementstruktur im Querschnitt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist eine erfindungsgemäße Bauelementstruktur im Querschnitt dargestellt. Die Darstellung ist nicht maßstäblich, insbesondere die Zwischenschicht und die Oberflächenbeschichtung ist vergrößert dargestellt. Die erfindungsgemäße Bauelementstruktur der 1 umfasst ein elektronisches Bauelement 10 mit einer oberen Kontaktfläche 12 und einer unteren Kontaktfläche 14. Die obere Kontaktfläche ist auf einer Oberseite des Bauelements 10 vorgesehen, und die untere Kontaktfläche ist auf der gegenüberliegenden Unterseite des Bauelements vorgesehen. Die Kontaktflächen bzw. die Oberseiten und die Unterseiten erstrecken sich senkrecht zur Zeichenebene. Die Kontaktflächen 12 und 14 des Bauelements 10 sind im wesentlichen nicht gewölbt und erstrecken sich innerhalb derselben Ebenen, in der sich die Oberseite und die Unterseite des Bauelements erstrecken. Die obere Kontaktfläche 12 grenzt unmittelbar an eine obere Zwischenschicht 20 an, und die untere Kontaktfläche 14 grenzt unmittelbar an eine untere Zwischenschicht 22 an. Beide Zwischenschichten 20, 22 sind porös. Während des Herstellungsprozesses durch Fügen werden im Wesentlichen nur die Zwischenschichten 20 und 22 verformt, insbesondere das Bauelement 10, wird im Wesentlichen nicht verformt und insbesondere in deutlich geringerem Maße wie die Verformung der Zwischenschicht. Dadurch wird der Druck während des Fügens von den plastisch/elastischen Eigenschaften der Zwischenschicht aufgenommen, wohingegen das elektrische Bauelement, welches im Wesentlichen durch eine Siliziumkristallstruktur ausgebildet ist, und somit eine hohe Sprödigkeit besitzt, nicht verformt wird.
  • Die obere Zwischenschicht 20 weist eine Unterseite auf, die unmittelbar an die obere Kontaktfläche 12 angrenzt und durch Fügen mit dieser mechanisch und elektrisch verbunden ist, wobei die untere Zwischenschicht 22 eine Oberseite aufweist, die in gleicher Weise über eine Fügeverbindung mit der unteren Metallschicht 14 verbunden ist. Die Unterseite der Zwischenschicht erstreckt sich somit entlang der Ebene, in der sich die obere Kontaktfläche 12 erstreckt, und die Oberseite der unteren Zwischenschicht 22 erstreckt sich entlang einer Ebene, in der sich auch die untere Kontaktfläche 14 erstreckt.
  • Die erfindungsgemäße Bauelementstruktur der 1 umfasst ferner eine Oberflächenbeschichtung 30, die an die obere Zwischenschicht 20 angrenzt, sowie eine Oberflächenbe schichtung 32, die an die untere Zwischenschicht 22 angrenzt. Die an die obere Zwischenschicht 20 angrenzende Oberflächenbeschichtung ist eine Oberflächenbeschichtung einer oberen Metallschicht 40, und die Oberflächenbeschichtung 32, welche an die untere Zwischenschicht 22 angrenzt, ist eine Oberflächenbeschichtung einer unteren Metallschicht 42. Die Metallschichten 40 und 42 werden im Weiteren noch näher beschrieben. Die Oberflächenbeschichtung 30 und 32 der Metallschichten 40 und 42 ist beispielsweise eine Nickelbeschichtung oder eine NiP-Beschichtung mit einem geringen Phosphoranteil (beispielsweise weniger als 20 oder weniger als 10%). Die Oberflächenbeschichtungen 30 und 32 können durch übliche chemische oder physikalische Oberflächenbeschichtungsmechanismen aufgebracht werden, beispielsweise durch galvanische Beschichtung, Aufdampfen, Sputtern, Inkontaktbringen mit flüssigem Beschichtungsmaterial, CVD oder ALD. Bei mehrlagigen Oberflächenbeschichtungen können verschiedene Mechanismen kombiniert werden, vorzugsweise sequenziell. Die Oberflächenbeschichtung 30 der oberen Metallschicht 40 ist über eine Fügeverbindung unmittelbar mit der Oberseite der oberen Zwischenschicht 20 verbunden, und die Oberflächenbeschichtung 32 der unteren Metallschicht 42 ist über einen weiteren Fügekontakt unmittelbar mit der Unterseite der unteren Zwischenschicht 22 verbunden. Die Unterseite der Oberflächenbeschichtung 30 der oberen Metallschicht 40 erstreckt sich somit in der gleichen Ebene wie die Oberseite der Zwischenschicht 20, und die Oberseite der Oberflächenbeschichtung 32 der unteren Metallschicht 42 erstreckt sich in der gleichen Ebene wie die Unterseite der Zwischenschicht 22.
  • Die Oberflächenbeschichtung der oberen Metallschicht grenzt unmittelbar an diese an, und die Oberflächenbeschichtung 32 der unteren Metallschicht 42 grenzt unmittelbar an diese an. Die Verbindung zwischen der Oberflächenbeschichtung und der jeweiligen Metallschicht wird während des Erstellens der jeweiligen Oberflächenbeschichtung erzeugt. Die obere Metallschicht 40 und die untere Metallschicht 42 sind beispielsweise Kupferbleche oder auch Aluminiumbleche oder Aluminium- oder Kupferlegierungen. Die Bleche dienen zum einen zur elektrischen Kontaktierung über die Oberflächenbeschichtung und die Zwischenschicht mit der jeweiligen Kontaktfläche des Bauelements 10 und dienen zum anderen zur mechanischen Verbindung sowie zum mechanischen Schutz (d. h. zur Druckaufnahme) des Bauelements 10. Eine weitere Aufgabe der Metallschichten ist die Wärmeableitung. Die Metallschichten 40, 42 sind deutlich dicker als die Oberflächenbeschichtung 30, 32 und deutlich dicker als die Zwischenschichten 20, 22 ausgebildet, vorzugsweise mit einer Dicke, die gewährleistet, dass mechanische Beanspruchung von außen, beispielsweise durch Fügen oder während des Betriebs, insbesondere durch Temperaturschwankungen, eine auf die Bauelementstruktur wirkende Kraft von diesen aufgenommen wird, um das Bauelement 10 zu entlasten.
  • Die in 1 dargestellte Bauelementstruktur wird durch Fügen erzeugt, wobei eine homogene Kraft 50, 52 auf Außenseiten der oberen und der unteren Metallschicht 40, 42 ausgeübt wird, so dass die Metallschichten einem über ihre Fläche gleichmäßigen Druck ausgesetzt sind. Die Kraft 50, 52 wird durch zwei Werkzeuge, d. h. durch zwei Fügepartner, erzeugt, die unmittelbar an die Außenseiten der Metallschicht angrenzen (nicht dargestellt), wobei die beiden Werkzeuge zueinander bewegt werden, wodurch die Kraft 50, 52 erzeugt wird, die zur Verformung der Zwischenschichten 20, 22 dient. Neben der Verformung resultieren aus der Kraft Fügestellen zwischen den Metallschichten 40, 42 (über die Oberflächenbeschichtungen 30, 32) mit den (Außenseiten der) Zwischenschichten 20, 22, sowie zwischen den (Innenseiten der) Zwischenschichten 20, 22 und den Kontaktflächen 12, 14.
  • Aus der 1 ist zu erkennen, dass das Bauelement 10 sowie die Zwischenschichten seitlich nach innen versetzt sind, wobei die Metallschichten seitlich über den Seitenrand des Bauelements hinausgehen. Dadurch wird ein Schutz gegenüber seitlich einwirkenden Belastungen vorgesehen, wobei gleichzeitig durch den Überhang der Metallschichten 40, 42 gegenüber dem Bauelement 10 der Fügevorgang mit einer relativ hohen Toleranz hinsichtlich der Anordnung ausgeübt werden kann. Der Anteil des auf die Bauelementstruktur ausgeübten Drucks, der auf den überstehenden Rand wirkt, wird zumindest teilweise oder vorzugsweise vollständig über die Metallschichten mit Druckbeaufschlagungen anderer Flächenabschnitte der Metallschichten vereint. Insbesondere werden Werkzeuge eingesetzt, die eine planparallele Bewegung der Metallschichten zueinander erwirken, wodurch gewährleistet bleibt, dass der geringer belastete überstehende Rand der Metallschichten nicht stärker verformt wird als die restlichen Abschnitte der Metallschichten, wodurch gewährleistet wird, dass die überstehenden Ränder der Metallschichten nicht in den freien Zwischenraum hineingebogen werden.
  • Eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform weist Zwischenschichten auf, die mit den Außenrändern der Metallschichten abschließen. Ferner sind in der nicht dargestellte Ausführungsform die Außenränder des Bauelements fluchtend mit den Außenrändern der Metallschichten ausgerichtet.
  • Die Metallschicht ist vollständig oder teilweise mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Die Oberflächenbeschichtung deckt zumindest des Bereich ab, an dem diese an die Zwischenschicht angrenzt.
  • Die Orientierungsangaben „obere” bzw. „untere” (Fläche, Seite oder Schicht) sollen nicht die Orientierung der jeweiligen Komponente im Schwerkraftfeld der Erde bestimmen, sondern dienen zur Orientierung bei der Betrachtung der 1. Insbesondere definieren diese Zusätze nicht eine absolute Orientierung, sondern sind ausschließlich auf die Bauelementstruktur selbst bezogen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - „Low temperature sinter technology die attachment for automotive power electronic applications” von C. Göbel, P. Beckedahl und H. Bramel, Automotive power electronics, 21–22 June 2006, Paris [0004]

Claims (10)

  1. Bauelementstruktur, umfassend: ein elektrisches oder elektronisches Bauelement (10) mit einer oberen Kontaktfläche (12) auf einer Oberseite des Bauelements (10) und einer unteren Kontaktfläche (14) auf einer gegenüberliegenden Unterseite des Bauelements (10); einer oberen Metallschicht (40) und einer unteren Metallschicht (42); und einer oberen porösen Zwischenschicht (20) und einer unteren porösen Zwischenschicht (22), wobei die obere Zwischenschicht (20) die obere Metallschicht (40) mit der oberen Kontaktfläche (12) mechanisch und elektrisch leitend verbindet und die untere Zwischenschicht (20) die untere Metallschicht (42) mit der unteren Kontaktfläche (14) mechanisch und elektrisch leitend verbindet.
  2. Bauelementstruktur nach Anspruch 1, wobei die Metallschichten (40, 42) und Kontaktflächen (12, 14) unmittelbar mit der Zwischenschicht (20, 22) verbunden sind oder über eine Oberflächenbeschichtung (30), (32) mindestens eine der Metallschichten (40, 42) und Kontaktflächen (12, 14) mit der Zwischenschicht (20, 22) verbunden sind, und die Oberflächenbeschichtung Au, eine Au-Legierung, Ag, eine Ag-Legierung, Pt, eine Pt-Legierung, Pd, eine Pd-Legierung, Ni, NiP, oder eine Kombination hiervon umfasst, wobei NiP einen Phosphoranteil von weniger als 10% und mehr als von mehr als 0,1% bezogen auf das Gewicht aufweist und Oberflächenbeschichtung einlagig ist oder mehrlagig mit Schichten unterschiedlicher Materialien strukturiert ist.
  3. Bauelementstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die obere Kontaktfläche (12) und die untere Kontaktfläche (14) teilweise oder vollständig als leitende Fläche vorgesehen ist und das Bauelement (10) ein Halbleiter-Die, eine auf oder in einem Substrat vorgesehene Schaltung, eine Dickfilmschaltung oder eine Dünnfilmschaltung ist, und wobei sich die obere, die untere Kontaktfläche oder beide Kontaktflächen (12, 14) eben sind, und das Bauelement (10) eben ist.
  4. Bauelementstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschichten (20, 22) eine Dicke von 5–200 μm, 10–100 μm, 20–70 μm oder 30–50 μm aufweisen, aus Ag, Au, Cu, Al oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Elemente ausgebildet ist, jeweils eine dem Bauelement zugewandte Oberfläche umfassen, die eben ist, die Zwischenschichten (20, 22) eine Porengröße von 0,1–20 μm, 0,3–15 μm, oder 0,6–10 μm haben und das Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvo lumen der Zwischenschichten (20, 22) mindestens 10%, mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens 50% oder mindestens 60% beträgt.
  5. Bauelementstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Metallschichten (40, 42) aus Cu, einer Cu-Legierung, Al oder einer Al-Legierung vorgesehen sind und eine Dicke von mindestens 0,1 mm, mindestens 0,2 mm, mindestens 0,5 mm, mindestens 1 mm, mindestens 2 mm, mindestens 3 mm, oder mindestens 5 mm aufweisen.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Bauelementstruktur, mit den Schritten: (a) Anordnen eines elektrischen oder elektronischen Bauelements (10) zwischen eine obere porösen Zwischenschicht (20) und eine unteren porösen Zwischenschicht (22); (b) Anordnen der oberen und der unteren Zwischenschicht (20, 22) zwischen eine obere Metallschicht (40) und eine unteren Metallschicht (42); und (c) Fügen der Metallschichten, der Zwischenschichten und des zwischenliegenden Bauelements durch Ausüben von Druck auf Außenseiten der Metallschichten (40, 42), die von dem Bauelement (10) abgewandt sind, wobei der Schritt (c) nach den Schritten (a) und (b) ausgeführt wird und ferner umfasst: Verformen beider Zwischenschichten (20, 22).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt (c) ferner umfasst: elektrisches Verbinden einer auf einer Oberseite des Bauelements (10) vorgesehenen oberen Kontaktfläche (12) mit der oberen Zwischenschicht (20); und, gleichzeitig, elektrisches Verbinden einer auf einer Unterseite des Bauelements (10) vorgesehenen unteren Kontaktfläche (14) mit der unteren Zwischenschicht (22) durch Ausbilden eines Formschluss unmittelbar zwischen oberen Kontaktfläche (12) und oberen Zwischenschicht (20) sowie eines Formschluss zwischen unterer Kontaktfläche (14) und unterer Zwischenschicht (22).
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Schritt (c) ferner umfasst: elektrisches Verbinden der oberen Zwischenschicht (20) mit der oberen Metallschicht (40) durch unmittelbaren Formschluss oder über einen von einer Oberflächenbeschichtung (30) der oberen Metallschicht (40) vorgesehenen Formschluss; und, gleichzeitig, elektrisches Verbinden der unteren Zwischenschicht (22) mit der unteren Metallschicht (40) durch unmittelbaren Formschluss oder über einen von einer Oberflächenbeschichtung (30) der unteren Metallschicht vorgesehenen Formschluss.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, wobei und das Fügen umfasst: Prägen oder Pressen mittels einer Gegenfläche und eines Stempels, der zu dieser hin geführt wird, und zwischen denen die Bauelementstruktur angeordnet wird; oder mittels zweier Stempel, die zueinander geführt werden, und zwischen denen die Bauelement struktur angeordnet wird; oder Walzen mittels einer Gegenfläche und einer Walze, zwischen denen die Bauelementstruktur geführt wird; oder mittels zweier Walzen, zwischen denen die Bauelementstruktur geführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6–9, wobei das Ausüben von Druck auf die Außenseiten der Metallschichten das Regeln des Drucks umfasst, und der Druck während des gesamten Schritts des Fügens nicht größer als 15 MPa, nicht größer als 10 MPa, nicht größer als 6 MPa, nicht größer als 3 MPa, nicht größer als 1 MPa, oder nicht größer als 0,5 MPa ist.
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