DE102010020696A1 - Verfahren zum NTV-Sintern eines drei-dimensionale Konturen aufweisenden Halbleiterbauelementes - Google Patents

Verfahren zum NTV-Sintern eines drei-dimensionale Konturen aufweisenden Halbleiterbauelementes Download PDF

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Abstract

Verfahren zum NTV-Sintern eines dreidimensionale Konturen aufweisenden Halbleiterbauelementes für die Leistungselektronik unter dem eine Sinterschicht vorgesehen ist, durch Aufbringen von Temperatur und Druck unter Erreichen von Sinterbedigungen auf einem Substrat, wobei ein Oberstempel mit den Kontgen einen Unterstempel hinter dem Substrat aufbringt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum NTV-Sintern eines drei-dimensionale Konturen aufweisenden Halbleiterbauelementes für die Leistungselektronik unter dem eine Sinterschicht vorgesehen ist, durch Aufbringen von Temperatur und Druck unter Erreichen von Sinterbedingungen auf einem Substrat nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
  • Elektronische Baugruppen bestehen aus Substraten (Keramik-Metallsubstraten, Metallkernleiterplatten, organischen Leiterplatten oder nur-metallischen Leiterbahnen, sog. Stanzgittern) mit zu bestückenden Bauelementen (offene oder umhüllte Halbleiter, passive Bauelemente). Diese Baugruppen werden zur Verbesserung der thermischen Beständigkeit mit sinterfähigen Silberpasten gefügt, indem durch Druck und Temperatur ausreichende Sinterbedingungen hergestellt werden.
  • Das Substrat und die Bauelemente formen dabei eine drei-dimensionale Struktur mit Erhöhungen durch die Bauelemente und gegebenenfalls grabenartige Spalte durch die Ätzgräben von Leiterbahnisolierungen. Der Sinterdruck wird dabei zwischen einem harten Unterstempel unterhalb des Substrates und einem sehr nachgiebigen, aber bei Raumtemperatur ebenen Oberstempel erzeugt. Die Sintertemperatur ist dabei üblicherweise zwischen 150°C und 300°C. Der nachgiebige Oberstempel besteht aus einer Silikongummiplatte der Dicke ein Vielfaches der größten Baugruppedicke beträgt und weist besonders unter hoher Temperatur nahezu vollständige Fließeigenschaften auf.
  • So zeigt beispielsweise die DE 10 2007 047 698 A1 eine Anordnung von heizbarem Ober- und Unterstempel mit einer Anzahl von flexiblen Druckkissen mit einer flexiblen Zwischenschicht. Nachteil dieses Standes der Technik ist jedoch, dass der Silikon-Oberstempel insbesondere bei hohen Einsatztemperaturen (beschleunigter Sintervorgang) irreversibel geschädigt wird und seine ebene Struktur zu temperaturbedingten, aber bei Raumtemperatur erstarrten Fließstrukturen verändert.
  • Dabei bilden sich Erhebungen und Einsenkungen, die einer gleichmäßigen Druckverteilung entgegenstehen. Eine gleichmäßige Druckverteilung ist jedoch erforderlich, um die Bauelemente von lokalen Druckspitzen zu schützen und somit beschädigungsfrei zu halten. Darüber hinaus finden sich nach wiederholter Benutzung der Silikongummiplatte Reste von Silikon auf der gesinterten Baugruppe. Diese Silikonreste verhindern nachfolgende Fertigungsschritte, wie z. B. das Drahtbonden der Bauelemente.
  • Weiter ist in der DE 10 2005 058 794 A1 ist die Anwendung einer Teflonfolie als Schutz vor Verschleppung metallischen Sintermaterials erwähnt. Dort schätzt man jedoch die Gefahr der Silikonverschleppung als wahrscheinlicher ein.
  • Die starke Verformungsarbeit an der Silikongummiplatte führt auch gelegentlich zu Kantenabbrüchen an den Bauelementen, die auf diese Weise zerstört werden, oder mindestens einen unkalkulierbaren Langzeitschaden erleiden. So weist auch die DE 10 2007 047 698 A1 nur elastische Druckkissen auf, die keinen Schutz für Kantenabbrüche gewähren.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher einen verbesserten Presstempel zu schaffen, der die eingangs genannten Nachteile nicht aufweist.
  • Es wird nun vorgeschlagen, eine deutlich härtere Oberstempelstruktur zu schaffen, die sich möglichst formschlüssig über die drei-dimensionale Baugruppe erstreckt. Dieser Oberstempel kann aus einem temperaturbeständigem Kunststoff oder Metall bestehen. Die Konturtreue kann im Falle von Metall oder durothermen Materialien durch spanende Bearbeitung gemäß einer CAD erzeugten Konturkarte erzeugt werden oder im Falle von thermoplastischen Kunststoffen durch Thermo-Abformung entstehen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung. Dabei zeigt:
  • 1 den Konturstempel und zwei Baugruppen (10, 11, 17), die nebeneinander auf einer Platte platziert sind,
  • 2 den Konturstempel und zwei Baugruppen (10, 11, 17), die nebeneinander auf einer Platte platziert sind. Dabei sind die Kanten der Baugruppe (10, 11, 17) durch einen Rahmen geschützt,
  • 3 den Konturstempel und zwei Baugruppen (10, 11, 17), die mit einer Bodenplatte (16) in Kontakt stehen,
  • 4 den Konturstempel und zwei Baugruppen (10, 11, 17), die mit einer Bodenplatte (16) in Kontakt stehen. Dabei sind die Kanten der Baugruppe (10, 11, 17) durch einen Rahmen gesichert,
  • 5 den Konturstempel mit einem Rahmen (4), der mit dem Oberwerkzeug (14) integriert ist und zwei Baugruppen (10, 11, 17), die nebeneinander auf einer Platte platziert sind. Dabei sind die Kanten der Baugruppe (10, 11, 17) durch einen Rahmen (4) gesichert; und
  • 6 den Konturstempel und eine Baugruppe (10, 11, 17) die auf einem Stanzgitter-Schaltungsträger (18) positioniert ist.
  • In der Serienfertigung von Baugruppen wird der formschlüssige Oberstempel wiederholt eingesetzt. Dabei trifft der Konturstempel im Moment des Absenkens auf die 3D-Struktur der Baugruppe auf geringe Form- und Lagetoleranzen der Baugruppen untereinander. Diese geringen Abweichungen können, je nach Größe der Toleranzen, zu geringen Abweichungen von der angestrebten Formschlüssigkeit führen.
  • Dazu wird vorgeschlagen, eine dünne, nicht strukturierte Folie oder Fließ zwischen Oberstempel und Baugruppe einzulegen. Die maximal beobachteten Toleranzen betragen ca. 0.1 mm. Eine Folie dieser Dicke zeigte sich dabei als ausreichend, um eine hinreichende Druckverteilung zur Erreichung der Sinterbedingungen zu erzeugen.
  • Es zeigte sich auch, dass im Falle größerer Toleranzen jeweils Foliendicken in gleicher Größe hinreichende Bedingungen erzeugen. Also sind die Toleranzen 0.2 mm, so beträgt die erforderliche Foliendicke ebenfalls 0.2 mm.
  • Vorzugsweise sind für die Konturstempel Kunststoffe einzusetzen, die ein plastisches Verhalten aufweisen und sich reaktionsarm zu den Werkstoffen der Baugruppe verhalten. Als Materialien sind temperaturbeständige Kunststoffe geeignet wie beispielsweise PTFE- und Polyamid-Werkstoffe, Polyurethan oder Polyamidimid (PAI) Bei den Metallen kommen insbesondere dehnungsangepasste Werkstoffe, wie AlSi oder auch Matrixmetalle wie AlSiC zur Anwendung. Prinzipiell sind auch keramische Werkstoffe einsetzbar (z. B. Al2O3) oder bearbeitbare Keramiken wie MACOR.
  • Im Falle der gleichzeitigen Drucksinterung von mehreren getrennten Baugruppen können Stege oder Rahmen eingesetzt werden, in deren Öffnungen jeweils ein Konturstempel einer Baugruppe gegenüber angeordnet ist. Der Steg deckt die Kanten und eventuelle Hohlstrukturen am Rand der Baugruppe ab, um sie vor zerstörerischem Druck zu schützen. Dieser Schutzrahmen kann Bestandteil des Oberstempels sein oder als Bestandteil des Unterstempels auf den einzelnen Baugruppen positioniert sein.
  • Der Konturstempel wird auch erfolgreich an Stanzgitter-Schaltungsträger (ohne keramische Leiterplatte, mit durchgehenden Stanzgitterleiterbahnen) eingesetzt, insbesondere auch, wenn diese Stanzgitter Höhenunterschiede in Form von Stufen (Downset) in der Leiterbahnführung aufweisen. Der Konturstempel folgt dann durch seine vorgegebene Formgebung dem vertikalen Verlauf des Stanzgitter und sorgt für eine fehlerfreie Pressung ohne Formveränderung des Stanzgitters
  • Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch eine Erwärmung des Konturstempels auf annähernder Sintertemperatur. Dies bewirkt eine thermische Dehnung des Konturstempels, die zu erhöhter Passgenauigkeit von Kontur und Baugruppe führt.
  • In einigen Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Baugruppe durch eine ebenfalls gesinterte Bodenplatte mit einer thermischen Masse in Form einer Bodenplatte (z. B. Cu, Al, AlSi oder AlSiC) verbunden ist. In diesem Fall ist eine bevorzugte Ausführungsform des Konturstempel so gestaltet, dass Teile des Stempels bis auf die Bodenplatte reichen (3)
  • Für den Fall einer hohlliegenden Struktur (6) der Baugruppe sind druckfeste Rahmen vorgesehen, die den Druck von der Struktur fernhalten. Insbesondere sind die hinterschnittenden Kanten von Keramikkern-Leiterplatten (DCB) auf diese Weise vor Zerstörung geschützt (siehe auch 4, Teil 4-Rahmen). Im Falle einer Baugruppe mit Bodenplatte kann sich der Schutzrahmen auch auf der Bodenplatte abstützen (siehe z. B. 4).
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Oberstempel
    2
    Plastisch verformbarer Stempel
    3
    Trennfolie
    4
    Schutzrahmen
    5
    Modulträger
    6
    hohlliegende Struktur
    7
    Halbleiterbauelement
    8
    Verbindungsschicht
    9
    Unterwerkzeug
    10
    Stromleitende Schicht
    11
    Isolator
    12
    Heizplatte
    13
    Heizelement
    14
    Oberwerkzeug
    15
    Verbindungsschicht
    16
    Bodenplatte
    17
    Wärmeleitende Schicht
    18
    Stanzgitter-Schaltungsträger
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007047698 A1 [0004, 0007]
    • DE 102005058794 A1 [0006]

Claims (6)

  1. Verfahren zum NTV-Sintern eines dreidimensionale Konturen aufweisenden Halbleiterbauelementes für die Leistungselektronik unter dem eine Sinterschicht vorgesehen ist, durch Aufbringen von Temperatur und Druck unter Erreichen von Sinterbedigungen auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Oberstempel (1) mit den Konturen des Halbleiterbauelementes (7) als Oberstempel den Sinterdruck gegen ein Unterwerkzeug (9) hinter dem Substrat aufbringt.
  2. Verfahren zur NTV-Sintern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberstempel (1) aus thermoplastischem Werkstoff besteht und vor einem ersten Sintervorgang unter einer die thermoplastische Verformung erlaubenden Temperatur zur Erzeugung einer Negativkontour auf die Konturen des Halbleiterbauelementes (7) aufgepressst wird.
  3. Verfahren zur NTV-Sintern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberstempel (1) aus durothermem Werkstoff und/oder einem Metall besteht und vor einem ersten Sintervorgang durch spanende Bearbeitung eine Negativkontour passend zu den Konturen des Halbleiterbauelementes (7) erhält.
  4. Verfahren zur NTV-Sintern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ein Pressstempel mit den Konturenmaßen des Halbleiterbauelementes derart versehen ist, dass er diese Maße bei Erreichen einer Sintertemperatur durch Ausdehnung erreicht und er als Oberstempel (1) den Sinterdruck nach vorheriger Aufheizung auf diese Temperatur gegen einen Unterstempel hinter dem Substrat aufbringt.
  5. Konturstrukturierter Pressstempel zum NTV-Sintern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Pressstempel als Oberstempel (1) mit Konturierungen versehen ist, die bei Erreichen der Sintertemperatur die Konturenmaße der Oberseite des Halbleiterbauelementes aufweisen.
  6. Konturstrukturierter Pressstempel zum NTV-Sintern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, der Pressstempel mit Halte-Stegen und/oder Rahmen versehen ist, die auswechselbare Kontourteile an der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite haltern.
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