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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen
Kontakten zu Bauelementen sowie eine Bauelementstruktur mit lotfreien
und hochtemperaturbeständigen Kontaktstellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigt
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Bauelementstruktur im Querschnitt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Metallschicht ist vollständig oder teilweise mit einer
Oberflächenbeschichtung versehen. Die Oberflächenbeschichtung
deckt zumindest des Bereich ab, an dem diese an die Zwischenschicht
angrenzt.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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]