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Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Montageträger für Halbleiterchips und ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers auf einem Anschlussträger.
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Konventionelle Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Montageträger und Anschlussträger beinhalten das Kleben mit einem elastischen Klebstoff und das großflächige Löten mit einem Lotmaterial aus Metall.
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Aufgrund des Unterschiedes im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger können bei Temperaturschwankungen thermo-mechanische Spannungen auftreten. Insbesondere bei großflächigen Lotverbindungen können diese eine Schädigung der Lotverbindung hervorrufen und dazu führen, dass die geforderte Lebensdauer der Lotverbindung nicht erreicht werden kann. Im Vergleich zu einer Lotverbindung kann eine elastischere Klebeverbindung die thermo-mechanischen Spannungen besser kompensieren, weist allerdings eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf.
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Eine Aufgabe ist es, einen Montageträger und ein Montageverfahren zur Herstellung einer hochstabilen und zugleich hoch thermisch leitenden Verbindung zwischen einem Montageträger und einem Anschlussträger anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Montageträger beziehungsweise ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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In einer Ausführungsform weist ein Montageträger eine für die Montage von Halbleiterchips vorgesehene zweite Hauptfläche und eine der zweiten Hauptfläche gegenüberliegende erste Hauptfläche auf. Der Montageträger weist außerdem einen Montagekörper auf, wobei der Montagekörper auf der der ersten Hauptfläche zugewandten Seite eine erste Metallisierung aufweist und die erste Hauptfläche eine Strukturierung mit einer Mehrzahl von säulenartigen Strukturelementen aufweist.
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Beim Herstellen einer Verbindung zwischen der Strukturierung des Montageträgers mit einem Anschlussträger, beispielsweise mittels einer Verbindungsschicht, wird die Verbindung aufgrund der säulenartigen Strukturierung effektiv in viele Verbindungsstellen unterteilt. Dadurch können die bei Temperaturschwankungen auftretenden thermo-mechanischen Spannungen besser kompensiert werden. Im Vergleich zu einer durchgängigen großflächigen Verbindung wird ein deutliches Absenken der maximal auftretenden thermo-mechanischen Spannungen erreicht. Eine Unterteilung der Verbindung des Montagenträgers mit dem Anschlussträger in viele Verbindungsstellen verlangsamt außerdem ein Risswachstum.
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Der Montageträger erstreckt sich bevorzugt in einer vertikalen Richtung zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche. Die erste Metallisierung ist bevorzugt auf der der ersten Hauptfläche zugewandten Seite des Montagekörpers ausgebildet.
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Insbesondere kann der Montagekörper auf der der ersten Metallisierung zugewandten Seite eine Grenzfläche aufweisen. Die erste Metallisierung kann unmittelbar an die Grenzfläche angrenzen. Die Grenzfläche kann flach sein oder Erhebungen beziehungsweise Vertiefungen aufweisen.
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Die erste Metallisierung kann einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere kann sie einstückig ausgebildet sein. Weiterhin kann die erste Metallisierung oder zumindest eine Teilschicht der ersten Metallisierung Kupfer enthalten oder aus Kupfer bestehen. Kupfer zeichnet sich insbesondere durch eine hohe thermische Leitfähigkeit aus. Alternativ oder ergänzend zum Kupfer kann die erste Metallisierung weitere Materialien enthalten, beispielsweise eine metallische Legierung, die insbesondere Kupfer enthalten kann. Weiterhin bevorzugt ist die erste Metallisierung bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den Anschlussträger angepasst. Das Bruchrisiko einer beispielsweise durch Löten hergestellten Verbindung zwischen der ersten Metallisierung und dem Anschlussträger wird so verringert.
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Unter einem säulenartigen Strukturelement wird im Rahmen der Anmeldung ein Element verstanden, das einen zu der zweiten Hauptfläche parallel ausgedehnten Querschnitt und eine zu der zweiten Hauptfläche vertikal gerichtete Höhe aufweist. Die Umrandung des Querschnitts kann dabei eine beliebige Form annehmen, beispielsweise gekrümmt, etwa kreisförmig oder oval, oder mehreckig, etwa viereckig, insbesondere quadratisch oder hexagonal. Bevorzugt können die säulenartigen Strukturelemente mit unterschiedlichen Querschnittsformen beziehungsweise mit unterschiedlichen Querschnittsflächen parallel zum Einsatz kommen. Beispielsweise weisen zumindest zwei Strukturelemente voneinander verschiedene Querschnitte, insbesondere hinsichtlich der Querschnittsform und/oder der Querschnittsfläche, auf. Entlang der Richtung der Höhe bleibt der Querschnitt des einzelnen Strukturelements bevorzugt im Wesentlichen konstant. „Im Wesentlichen konstant“ bedeutet, dass sich die Form des Querschnitts vorzugsweise nicht ändert und das Verhältnis des minimalen Querschnitts zu dem maximalen Querschnitt des Strukturelements zwischen einschließlich 0,5 und einschließlich 1, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,9 und einschließlich 1, ist.
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Das Aspektverhältnis der Höhe zu der maximalen Ausdehnung des Querschnitts ist derart eingerichtet, dass die säulenartigen Strukturelemente während der Herstellung, bei der Montage und im Einsatz ausreichende mechanische Stabilität aufweisen. Das Aspektverhältnis beträgt zwischen einschließlich 0,01 und einschließlich 20, bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 und einschließlich 10 und besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,25 und einschließlich 5.
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Die säulenartigen Strukturelemente bilden bevorzugt die Strukturierung des Montageträgers. Sie sind vorzugsweise auf die Grenzfläche strukturiert aufgebracht oder durch Strukturieren ausschließlich der ersten Metallisierung ausgebildet. Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung der Strukturelemente ist das Strukturieren sowohl der ersten Metallisierung als auch des Montagekörpers. Die Strukturelemente weisen in diesem Fall also einen Teil des Montagekörpers und einen Teil der ersten Metallisierung auf. Außerdem können die Strukturelemente ausgebildet sein, indem die erste Metallisierung auf einen bereits strukturierten Montagekörper aufgebracht wird.
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Im Fall einer flachen Grenzfläche zwischen dem Montagekörper und der ersten Metallisierung ist jedes säulenartige Strukturelement ausschließlich Teil der ersten Metallisierung.
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Die Strukturelemente können direkt auf dem Montagekörper angeordnet sein. Die Zwischenräume zwischen den Strukturelementen können sich also vollständig durch die erste Metallisierung hindurch erstrecken. Alternativ kann zwischen den Strukturelementen und dem Montagekörper ein Strukturboden ausgebildet sein. Der Strukturboden kann den Montagekörper vollständig bedecken. Der Strukturboden ist zweckmäßigerweise ebenfalls Teil der ersten Metallisierung. Die Zwischenräume zwischen den Strukturelementen erstrecken sich in diesem Fall in vertikaler Richtung bis zum Strukturboden. Beim Anlegen einer Spannung sind der Strukturboden und alle Strukturelemente miteinander elektrisch verbunden.
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Zusätzlich zu den Strukturelementen kann auch der Strukturboden die bei Temperaturschwankungen auftretenden thermo-mechanischen Spannungen zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger aufnehmen. Außerdem kann eine Querschnittsfläche des Strukturbodens größer sein als die Summe der Querschnittsflächen der Strukturelemente. Die Verbindungsfläche zu dem Montagekörper wird also vergrößert, was zu einer besonders stabilen Verbindung zwischen der Metallisierung und dem Montagekörper führt.
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Die Grenzfläche kann außerdem Erhebungen beziehungsweise Vertiefungen aufweisen. Beispielsweise ist der Montageträger derart strukturiert, dass die Grenzfläche ebenfalls eine säulenartige Struktur aufweist. Im Gegensatz zu dem Fall einer flachen Grenzfläche können die Strukturelemente sowohl Teil der Metallisierung als auch Teil des Montageträgers sein. Dabei kann die erste Metallisierung eine dünne Metallschicht sein, die auf den Spitzen der Erhebungen der Grenzfläche angeordnet ist. Es ist außerdem möglich, dass die erste Metallisierung die Erhebungen und vorzugsweise auch die Vertiefungen vollständig überdeckt. Aufgrund der vergrößerten Haftungsfläche weist die letztere Ausgestaltung eine hochstabile Verbindung zwischen der ersten Metallisierung und dem Montagekörper sowie eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf der Oberfläche der durch die vollständige Überdeckung ausgebildeten Strukturelemente auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält der Montagekörper eine Keramik, insbesondere eine AlN-Keramik oder eine Aluminiumoxid-Keramik. Keramik weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit sowie einen vergleichsweise niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf und ist für eine effiziente Wärmeabfuhr besonders geeignet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Strukturelemente eine Höhe zwischen einschließlich 30 Mikrometer und einschließlich 300 Mikrometer auf.
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Weiterhin bevorzugt weisen die Strukturelemente im Wesentlichen die gleiche Höhe auf. In der vorliegenden Anmeldung werden Abmessungen als „im Wesentlichen gleich“ angesehen, wenn sie innerhalb der Fertigungstoleranzen gleich sind. Durch eine gleiche Höhe aller Strukturelemente wird die Ausbildung einer flachen Verbindungsebene zwischen dem Anschlussträger und den Strukturelementen vereinfacht. Insbesondere können sich alle Verbindungsstellen auf der Verbindungsebene befinden und somit möglichst gleich stabil ausgebildet werden. Vorzugsweise ist die Verbindungsebene parallel zu der zweiten Hauptfläche.
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Weiterhin bevorzugt weist der Querschnitt eines Strukturelements eine maximale Ausdehnung zwischen einschließlich 20 Mikrometer und einschließlich 3000 Mikrometer auf.
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Die Querschnitte der Strukturelemente können grundsätzlich unterschiedliche Ausdehnungen und verschiedene Formen aufweisen. Bevorzugt sind die Strukturelemente bezüglich ihrer Grundform und weiterhin bevorzugt bezüglich ihres Querschnitts gleich. Besonders bevorzugt sind Querschnitte kreisförmig und weiterhin bevorzugt im Wesentlichen gleich. Aufgrund der Punktsymmetrie können Strukturelemente mit einem kreisförmigen Querschnitt ohne großen Aufwand hergestellt werden. Kreisförmige Querschnitte ermöglichen außerdem ein effizientes Aufbringen einer weiteren Materialschicht, beispielsweise einer Lotschicht, auf die Strukturelemente.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung stellt die Gesamtfläche aller Querschnittsflächen der Strukturelemente zwischen 25% und 80% der Gesamtfläche der zweiten Hauptfläche dar. Das bedeutet, dass die Strukturelemente in Aufsicht, das heißt in einer senkrechten Projektionsansicht auf die zweite Hauptfläche, 25% bis 80% der Gesamtfläche der zweiten Hauptfläche abdecken. Vorzugsweise sind die Gesamtfläche der ersten Hauptfläche, die der Grenzfläche und die der zweiten Hauptfläche in Projektionsansicht gleich oder im Wesentlichen gleich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Strukturelemente in einem gleichen Abstand voneinander angeordnet. Bei einer Montage des Montageträgers auf einem Anschlussträger wird vereinfacht eine gleichmäßige Verteilung der Verbindungsstellen erreicht, was sich positiv hinsichtlich der Kompensierung der thermo-mechanischen Spannungen und der gleichmäßiger Temperaturverteilung auswirkt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen zumindest zwei Strukturelemente voneinander verschiedene Querschnitte auf. Bevorzugt weisen die voneinander verschiedenen Querschnitte unterschiedliche Formen und/oder unterschiedliche Flächen auf. Beispielsweise sind die Flächen der Querschnitte der Strukturelemente am Rand der ersten Metallisierung kleiner als die Flächen der Querschnitte der Strukturelemente in einem inneren Bereich der Metallisierung. Eine derartige Verteilung der Strukturelemente mit verschiedenen Querschnitten erhöht die Stabilität der Verbindung zwischen dem Montagenträger und dem Anschlussträger insbesondere gegenüber starken Temperaturschwankungen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung sind die Strukturelemente von einer ersten Lotschicht überdeckt. Bevorzugt enthält die erste Lotschicht Sn, Ag oder Cu, oder eine metallische Legierung mit zumindest einem der genannten Materialien, insbesondere SnAgCu.
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Weiterhin bevorzugt ist die erste Lotschicht derart ausgebildet, dass sie auf jedem Strukturelement eine Kuppelform bildet, deren Höhe kleiner als der minimale Abstand von dem diese Kuppelform tragenden Strukturelement zu seinen benachbarten Strukturelementen ist. Mit einer solchen Ausgestaltung kann beispielsweise eine unnötige Vergrößerung der Verbindungsstellen zwischen den Strukturelementen und dem Anschlussträger vermieden werden. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Montagekörper auf der der zweiten Hauptfläche zugewandten Seite eine zweite Metallisierung auf. Mit der zweiten Metallisierung kann eine homogene Temperaturverteilung auf ihrer Oberfläche und dadurch eine effektive Wärmeabfuhr in den Montagekörper erzielt werden. Die zweite Metallisierung enthält vorzugsweise Kupfer. Weiterhin können die erste Metallisierung und die zweite Metallisierung bezüglich des Materials gleichartig ausgebildet sein.
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Weiterhin bevorzugt ist zumindest ein oder mehrere Halbleiterchips auf der zweiten Hauptfläche angeordnet. Der Halbleiterchip ist vorzugsweise mittels einer Kleberschicht oder einer Lotschicht oder einer Sinterschicht mit der zweiten Metallisierung verbunden.
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In einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Montage eines Montageträgers einem Anschlussträger wird der Montageträger bereitgestellt, beispielsweise an einem Greifarm. Ein Lotmaterial wird zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger ausgebildet. Die Position des Montageträgers wird temporär fixiert. Zwischen der Strukturierung und dem Anschlussträger wird eine Lotverbindung hergestellt.
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Für das Verfahren eignet sich insbesondere ein vorstehend beschriebener Montageträger. Im Zusammenhang mit dem Montageträger beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden oder umgekehrt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Lotmaterial, beispielsweise SnAgCu, zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger ausgebildet. Dabei bildet das Lotmaterial eine erste Lotschicht direkt auf den säulenartigen Strukturelementen und/oder eine zweite Lotschicht direkt auf dem Anschlussträger.
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Weiterhin bevorzugt umfasst das Ausbilden des Lotmaterials einen Eintauchschritt der Strukturierung in ein mit dem Lotmaterial befülltes Reservoir. Dabei haftet das Lotmaterial an den Spitzen der säulenartigen Strukturelemente und bildet somit die erste Lotschicht. Die erste Lotschicht kann so gleichzeitig auf allen Strukturelementen ausgebildet werden. Außerdem wird dadurch die erste Lotschicht hinsichtlich der Menge besonders gleichmäßig verteilt, was sich positiv auf die Ausbildung möglichst gleich stabiler Verbindungsstellen zwischen der Strukturierung und dem Anschlussträger auswirkt.
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Weiterhin bevorzugt umfasst das Ausbilden des Lotmaterials einen Beschichtungsschritt zur Ausbildung der zweiten Lotschicht, bei dem der Anschlussträger mit dem Lotmaterial beschichtet wird. Vorzugsweise wird der Anschlussträger zumindest teilweise, insbesondere an den für die Lotverbindung vorgesehenen Verbindungsstellen, mit dem Lotmaterial beschichtet. Allerdings kann der Anschlussträger auch großflächig mit dem Lotmaterial beschichtet sein, wodurch eine großflächige Verbindungsschicht bei der Montage ausgebildet wird. Dies kann sich hinsichtlich der Kompensierung der thermisch-mechanischen Spannungen als günstig erweisen, insbesondere im Fall eines Weichlots, indem das Lotmaterial durch seine plastische Verformung thermisch-mechanische Spannungen effektiv aufnehmen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden sowohl die erste als auch die zweite Lotschicht durch das Ausbilden eines Lotmaterials zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger gebildet. Das Ausbilden des Lotmaterials beinhaltet beispielsweise einen Eintauch- und einen Beschichtungsschritt. Die zuverlässige Herstellung eines Lotkontakts zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger wird dadurch vereinfacht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird beim temporären Fixieren der Position des Montageträgers auf dem Anschlussträger ein Flussmittel eingesetzt. Der Einsatz des Flussmittels begünstigt die Ausbildung eines stabilen Lotkontakts. Durch das Flussmittel können vorhandene Oxide von der Lötfläche und dem Lot beseitigt sowie die Oxidneubildung verhindert werden. Das Flussmittel unterstützt außerdem die temporäre Fixierung und wird zumindest an den für die Lotverbindung vorgesehenen Verbindungsstellen eingesetzt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Herstellung der Lotverbindung zwischen der Strukturierung und dem Anschlussträger durch Verschmelzen des Lotmaterials in einem Ofenprozess. Alternativ kann die Herstellung der Lotverbindung durch Verschmelzen des Lotmaterials in einem Thermokompressionsschritt erfolgen.
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Weiterhin bevorzugt werden bei der Herstellung der Lotverbindung Hohlräume zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger gebildet. Die Hohlräume können nach dem Herstellen der Lotverbindung zumindest teilweise mit einem Füllmaterial befüllt werden.
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Das Füllmaterial ist vorzugsweise ein elastischer und temperaturbeständiger Kunststoff. Metalle mit hoher Duktilität und hoher Wärmeleitfähigkeit sind ebenfalls als Füllmaterial geeignet. Das Füllmaterial steigert die Stabilität der säulenartigen Strukturelemente, verbessert die Wärmezufuhr in den Montagekörper und erhöht zugleich die Effizienz des Montageträgers hinsichtlich der Kompensation der thermo-mechanischen Spannungen.
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Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Montageträgers und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 9 erläuterten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1A ein Ausführungsbeispiel für einen Montageträger in schematischer Schnittansicht,
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1B ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Montageträger in schematischer Schnittansicht,
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2 ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement mit einem Montageträger in schematischer Schnittansicht,
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3A bis 3D schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines ersten Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers,
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4A bis 4C schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers,
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5A bis 5D schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines dritten Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Montage eines Halbleiterbauelements,
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6A bis 6D schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines vierten Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers ,
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7A bis 7D schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines fünften Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers,
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8A bis 8E schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines sechsten Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers,
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9A bis 9E schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines siebten Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt werden.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Montageträger für Halbleiterchips ist in 1A schematisch in Schnittansicht dargestellt. Der Montageträger 1 weist eine erste Hauptfläche 101 und eine zweite Hauptfläche 102 auf, die den Montageträger auf einer Rückseite beziehungsweise auf einer Vorderseite begrenzen. Die zweite Hauptfläche 102 ist flach. Die erste Hauptfläche 101 weist eine Strukturierung 5 mit einer Mehrzahl von säulenartigen Strukturelementen 41 auf.
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Der Montageträger 1 weist außerdem einen Montagekörper 3 auf, der zwischen einer ersten Metallisierung 4 und einer zweiten Metallisierung 2 angeordnet ist. Die erste Metallisierung 4 befindet sich auf der Rückseite des Montageträgers, wobei eine Grenzfläche 103 des Montagekörpers die erste Metallisierung 4 von dem Montagekörper 3 trennt. Die erste Grenzfläche 103 ist eben ausgebildet. Eine Strukturierung des Montagekörpers ist für die Ausbildung der säulenartigen Strukturelemente also nicht erforderlich.
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Die erste Metallisierung 4 in 1A weist Strukturelemente 41 auf. Die Strukturelemente sind in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet. Zwischen den Strukturelementen 41 und dem Trägerkörper 3 ist ein Strukturboden 42, der ebenfalls Teil der ersten Metallisierung 4 ist, ausgebildet. Der Strukturboden 42 grenzt unmittelbar an die Grenzfläche 103 an.
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Die Strukturelemente 41 haben eine gleiche Höhe. Die Höhe beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 30 Mikrometer und einschließlich 300 Mikrometer. Außerdem weisen die Strukturelemente eine gleiche Entfernung von der zweiten Hauptfläche 102 auf. Des Weiteren sind sie jeweils in einem gleichen Abstand voneinander angeordnet.
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Auf der dem Montagekörper 3 abgewandten Seite bilden die Strukturelemente 41 eine gemeinsame, insbesondere parallel zur zweiten Hauptfläche 102 verlaufende, flache Verbindungsebene.
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Die Strukturelemente 41 weisen einen zu der zweiten Hauptfläche 102 parallel ausgedehnten Querschnitt auf. Der Querschnitt ist bevorzugt kreisförmig. Vorzugsweise weist der Querschnitt eine maximale Ausdehnung zwischen einschließlich 20 Mikrometer und einschließlich 3000 Mikrometer auf. Der Querschnitt der Strukturelemente ist entlang einer senkrecht zur ersten Hauptfläche 102 verlaufenden Richtung konstant.
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Eine Gesamtfläche aller Querschnittsflächen der Strukturelemente beträgt bevorzugt zwischen 25% und 80% der Gesamtfläche der zweiten Hauptfläche 102.
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Das Aspektverhältnis beträgt zwischen einschließlich 0,01 und einschließlich 20, bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 und einschließlich 10 und besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,25 und einschließlich 5. Derartige Abmessungen für die säulenartigen Strukturelemente haben sich im Hinblick auf die mechanische Stabilität als besonders geeignet herausgestellt.
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Der Montagekörper enthält bevorzugt eine Keramik, insbesondere eine AlN-Keramik. AlN zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Alternativ kann auch ein anderes Material Anwendung finden, beispielsweise eine Aluminiumoxid-Keramik.
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Die Metallisierung ist vorzugsweise auf dem Montagekörper 3 abgeschieden. Sie enthält bevorzugt Kupfer oder besteht aus Kupfer.
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Der beschriebene Montageträger 1 zeichnet sich aufgrund der säulenartigen Strukturelemente 41 durch eine besonders zuverlässige Verbindbarkeit mit einem Anschlussträger, etwa einer Leiterplatte aus. Insbesondere kann mittels eines Lots eine thermisch gut leitende Verbindung hergestellt werden. Die Gefahr einer sich lösenden Verbindung aufgrund von thermo-mechanischen Spannungen bei Temperaturänderungen kann mittels der Vielzahl von säulenartigen Strukturelementen vermieden oder zumindest verringert werden.
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Von dem exemplarisch beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend muss die Grenzfläche 103 nicht flach sein. Sie kann beispielsweise Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen. Der Montagekörper selbst kann also strukturiert sein. Insbesondere können die säulenartigen Strukturelemente 41 zumindest teilweise mittels des strukturierten Montagekörpers gebildet sein. In diesem Fall kann die erste Metallisierung 4 eine Metallschicht sein, die nur auf den Spitzen der Erhebungen des Montagekörpers angeordnet ist. Alternativ kann die Metallschicht die Erhebungen und auch die Vertiefungen vollständig überdecken. Die Strukturelemente 41 weisen also sowohl einen Teil des Montagekörper 3 als auch einen Teil der ersten Metallisierung 4 auf.
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Der Querschnitt der einzelnen Strukturelemente kann auch eine von einer Kreisform abweichende Grundform, beispielsweise eine gekrümmte, etwa ovale, oder eine mehreckige, etwa viereckige, insbesondere rechteckige, oder sechseckige Grundform aufweisen.
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Weiterhin muss der Querschnitt der einzelnen Strukturelemente nicht notwendigerweise entlang der Höhe konstant sein. Bevorzugt beträgt ein Verhältnis eines minimalen Querschnitts zu einem maximalen Querschnitt desselben Strukturelements zwischen einschließlich 0,5 und einschließlich 1, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,9 und einschließlich 1.
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Ferner muss die erste Metallisierung 4 nicht notwendigerweise einen Strukturboden 42 aufweisen. In diesem Fall können sich die Zwischenräume zwischen den Strukturelementen 41 bis zur Grenzfläche 103 erstrecken. Bei einer flachen Grenzfläche entspricht die Höhe der Strukturelemente der Dicke der ersten Metallisierung 4.
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In 1B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Montageträger für Halbleiterchips schematisch in Schnittansicht dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel für den Montageträger in 1A. Im Unterschied hierzu weisen zumindest zwei Strukturelemente voneinander verschiedene Querschnitte auf. Die Querschnittsflächen der säulenartigen Strukturelemente 41 an Rändern der ersten Metallisierung 4 sind kleiner als die Querschnittsflächen der säulenartigen Strukturelemente 41 in einem inneren Bereich der ersten Metallisierung 4. Die verschiedenen Querschnitte können dabei unterschiedliche Formen annehmen.
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Von dem inneren Bereich zu den Rändern der ersten Metallisierung hin weisen die säulenartigen Strukturelemente kleiner werdende Querschnittsflächen auf. Eine derartige Verteilung der säulenartigen Strukturelemente mit unterschiedlichen Querschnitten erhöht die Stabilität der Verbindung zwischen dem Montagenträger und dem Anschlussträger insbesondere gegenüber starken Temperaturschwankungen. Die Strukturierung 5 weist dabei eine symmetrische Form auf, die ein säulenartiges Strukturelement 41 mit der größten Querschnittsfläche in der Mitte der ersten Metallisierung 4 enthält. Somit kann eine Wärmeabfuhr noch effizienter gestaltet werden. Abgesehen davon ist es auch denkbar, dass die Strukturierung eine andere symmetrische Form oder eine unregelmäßige Form aufweist.
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Für den Montageträger 1 wird in den Ausführungsbeispielen und weiteren Figuren aus Übersichlichkeitgründen nur Bezug auf 1A genommen. Der in 1B dargestellte Montageträger kann auch in den folgenden Ausführungsbeispielen Anwendung finden.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 19 mit einem Montageträger 1 und Halbleiterchips 9 in schematischer Schnittansicht dargestellt.
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Der Montageträger 1 dieses Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel für einen Montageträger. Im Unterschied hierzu ist in diesem Ausführungsbeispiel eine erste Lotschicht 6 auf den Strukturelementen 41 ausgebildet. Das Halbleiterbauelement 19 ist vorzugsweise ein optoelektronisches Halbleiterbauelement.
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Beispielsweise enthält die erste Lotschicht 6 SnAgCu. In 2 bildet die erste Lotschicht 6 auf jedem Strukturelement 41 eine Kuppelform. Die Kuppelform bedeckt einen zuvor frei zugänglichen Querschnitt eines Strukturelements zumindest teilweise, bevorzugt vollständig. Die Kuppelform weist insbesondere eine Höhe auf, die kleiner als der minimale Abstand von dem diese Kuppelform tragenden Strukturelement zu seinen benachbarten Strukturelementen ist.
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Das Halbleiterbauelement in 2 weist eine Mehrzahl von Halbleiterchips 9 auf, die auf der zweiten Hauptfläche 102 des Montageträgers 1 angeordnet sind. Die Halbleiterchips 9 sind beispielsweise optoelektronische Bauelemente, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung vorgesehen sind. Dabei sind die Halbleiterchips bevorzugt mit Hilfe eines Verbindungsmittels, etwa einem Lot oder einer Klebeschicht oder einer Sinterschicht direkt mit der zweiten Metallisierung 2 verbunden. Der Schmelzpunkt des Verbindungsmittels ist bevorzugt höher als der Schmelzpunkt des Materials der ersten Lotschicht 6. Die Gefahr, dass sich die Halbleiterchips bei der Montage des Montageträgers von dem Montageträger lösen, wird so vermieden.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Montage eines Montageträgers 1 auf einem Anschlussträger 7 ist in 3A bis 3D in schematischer Schnittansicht dargestellt, welche vier verschiedene Verfahrenstadien beschreiben. Der Montageträger 1 entspricht exemplarisch dem Montageträger im Zusammenhang mit 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel und weist eine erste Lotschicht 6 auf.
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Der Anschlussträger kann beispielsweise eine Leiterplatte, etwa eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB) oder eine Metallkernleiterplatte (metal core printed circuit board, MCPCB) sein.
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In 3A wird der Montageträger 1 auf der der zweiten Hauptfläche 102 zugewandten Seite bevorzugt so an einem Greifarm 30 bereitgestellt, dass die Strukturierung mit einer Mehrzahl von säulenartigen Strukturelementen frei zugänglich ist. Der Greifarm 30 kann beispielsweise ein Bondkopf sein.
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Auf den Anschlussträger 7 wird ein Flussmittel 8 bevorzugt großflächig aufgebracht. Der Anschlussträger 7 weist eine Verbindungsfläche auf, die mindestens genau so groß wie die zweite Hauptfläche 102 ist.
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Bei dem in 3B dargestellten Schritt wird der Montageträger 1 mittels des Greifarms 30 auf dem Anschlussträger 7 platziert. Die erste Lotschicht 6 wird vorzugsweise von dem Flussmittel 8 vollständig eingeschlossen.
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Anschließend wird, wie in 3C dargestellt, der Greifarm 30 entfernt. Das Flussmittel 8 unterstützt dabei ein temporäres Fixieren der Position des Montageträgers 1 auf dem Anschlussträger 7.
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Wie in 3D gezeigt, wird ein Lotmaterial der Lotschicht 6 bei Temperaturen oberhalb einer Schmelztemperatur des Lotmaterials in einem Ofenprozess aufgeschmolzen. Nach einer Abkühlung besteht eine mechanisch stabile und thermisch leitfähige Lotverbindung zwischen dem Montageträger 1 und Anschlussträger 7. Anstatt einer großflächigen Lotverbindung ermöglichen die säulenartigen Strukturelemente 41 die Bildung vieler getrennter Verbindungsstellen 71. Außerdem werden Hohlräume 74 zwischen dem Montageträger und dem Anschlussträger ausgebildet.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Montage des Montageträgers 1 ist in 4A bis 4C in schematischer Schnittansicht dargestellt, die drei verschiedene Verfahrenstadien beschreiben.
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Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Im Unterschied hierzu wird die Lotverbindung bei diesem Ausführungsbeispiel durch Verschmelzen des Lotmaterials in einem Thermokompressionsschritt hergestellt (4B). Der Thermokompressionsschritt erfolgt bereits vor der Entfernung des Greifarms 30. Der Ofenprozess ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht notwendig.
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Im Vergleich mit dem Ofenprozess ist der Thermokompressionsschritt besonders geeignet für die Montage des Montageträgers mit daran befestigten Halbleiterchips, da die Halbleiterchips den hohen Temperaturen nicht direkt ausgesetzt sind.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigt in 5A bis 5D vier verschiedene Verfahrenstadien zur Montage eines Halbleiterbauelements 19 der 2 auf einem Anschlussträger 7. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Im Unterschied hierzu werden Halbleiterchips 9 vor der Montage des Halbleiterbauelements 19 auf die zweite Metallisierung 2 des Montageträgers 1 aufgebracht. Dabei werden die Halbleiterchips mit Hilfe eines Verbindungsmittels mit der zweiten Hauptfläche 102 verbunden, wobei der Schmelzpunkt des Verbindungsmittels höher als der Schmelzpunkt des Lotmaterials der Lotschicht 6 ist. Außerdem weist der Greifarm 30 eine Ausnehmung 31 auf, die für den Schutz der Halbleiterchips 9 vorgesehen ist.
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Ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Montage des Montageträgers 1 ist in 6A bis 6D in schematischer Schnittansicht dargestellt, die vier verschiedene Verfahrenstadien der Montage beschreiben. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Im Unterschied hierzu wird in einem Beschichtungsschritt zusätzlich zu der ersten Lotschicht 6 eine zweite Lotschicht 10 großflächig auf dem Anschlussträger 7 ausgebildet (6A). Das Herstellen der Verbindung zwischen dem Montageträger 1 und dem Anschlussträger 7 erfolgt derart, dass mehrere Verbindungsstellen 71 und Hohlräume 74 gebildet werden.
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Ein fünftes Ausführungsbeispiel beschreibt ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers aus der 1A auf dem Anschlussträger 7. 7A bis 7D stellen vier verschiedene Verfahrenstadien der Montage dar. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem vierten Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Im Unterschied hierzu ist der Montageträger 1 in 7A frei von der ersten Lotschicht 6.
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Ein sechstes Ausführungsbeispiel beschreibt ein Verfahren zur Montage des Montageträgers aus der 1A auf einem Anschlussträger 7. 8A bis 8E stellen fünf verschiedene Verfahrenstadien der Montage dar. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Im Unterschied hierzu wird zunächst die erste Lotschicht 6 durch einen Eintauchschritt ausgebildet (8B). Dabei wird der Montageträger 1 in ein mit einem Lotmaterial 11 befülltes Reservoir 12 derart geführt, dass das Lotmaterial 11 an den Spitzen der säulenartigen Strukturelemente 41 haftet und somit die erste Lotschicht 6 bildet.
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Ein siebtes Ausführungsbeispiel beschreibt ein Verfahren zur Montage eines Montageträgers 1 auf einem Anschlussträger 7. 9A bis 9E stellen fünf verschiedene Verfahrenstadien der Montage dar. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Erweiterung des Verfahrens dar, die bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Verfahrens Anwendung finden kann. Bei dieser Erweiterung werden die bei der Herstellung der Lotverbindung entstehenden Hohlräume 74 zwischen dem Montageträger 1 und dem Anschlussträger 7 wie in 9E dargestellt mit einem Füllmaterial 13 befüllt.
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Das Füllmaterial ist vorzugsweise ein elastischer und temperaturbeständiger Kunststoff. Bevorzugt ist der Kunststoff mit einem die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Füllstoff gefüllt. Beispielsweise enthält der die Wärmeleitfähigkeit erhöhende Füllstoff Metallpartikel und/oder Metalloxide, insbesondere SiO2-Partikel. Metalle mit hoher Duktilität und hoher Wärmeleitfähigkeit sind ebenfalls als Füllmaterial geeignet. Mittels des Füllmaterials wird die Fläche, über die im Betrieb des Halbleiterbauelements 19 entstehende Wärme vom Montageträger in den Anschlussträger 7 abgeführt werden kann, vergrößert.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele an diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
