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Die Erfindung betrifft elektrische Anschlusselemente, wie sie in elektronischen Baugruppen, beispielsweise in Halbleitermodulen, eingesetzt werden. Ein derartiges Anschlusselement kann dazu verwendet werden, ein elektrisches Potential vom Inneren der Baugruppe nach Außen zu führen oder umgekehrt ein externes Potential in das Modulinnere zu führen. Hierzu muss das Anschlusselement jeweils elektrisch leitend mit einer Metallisierung beispielsweise eines Schaltungsträgers, z.B. eine Leiterplatte, verbunden sein, der sich im Inneren der Baugruppe befindet. Üblicherweise werden die Anschlusselemente hierzu elektrisch leitend mit der Metallisierung verbunden, was üblicherweise dadurch erfolgt, dass das Anschlusselement direkt auf die Metallisierung gelötet oder ultraschall-gebondet wird, oder aber indirekt über Bonddrähte an die Metallisierung angeschlossen wird.
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Löten und das Anschließen mit Hilfe von Bonddrähten ist jedoch aufwändig: Beim Löten muss das Lot in der Regel in Form von Lotpaste zunächst mit Hilfe einer Schablone aufgetragen werden. Außerdem können die meist lang gestreckten Anschlusselemente nicht wie flache Bauelemente einfach nur auf die aufgetragene Lotpaste aufgelegt werden, da sie umkippen würden, so dass zusätzlich eine Haltevorrichtung erforderlich ist, welche die Anschlusselemente in Position hält. Ultraschall-Bonden wäre zwar grundsätzlich ein einfaches Bestückungsverfahren, allerdings kann es insbesondere bei starken Temperaturwechselbelastungen dazu kommen, dass sich das Anschlusselement von der Metallisierung ablöst. Diese Gefahr ist umso mehr gegeben, wenn sich die Härte des Anschlusselements deutlich von der Härte der Metallisierung unterscheidet. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Anschlusselement zur Realisierung eines elektrischen Druck- oder Federkontaktes Federeigenschaften aufweisen soll, da sich die erforderlichen Federeigenschaften in der Regel nur mit Materialien realisieren lassen, deren Härte signifikant höher ist als die Härte der Metallisierung, für die überwiegend Kupfer oder Aluminium eingesetzt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verbinden eines Anschlusselements mit einer Metallisierung bereitzustellen, mit dem sich nicht nur identische sondern auch stark verschiedene Materialien elektrisch so miteinander verbinden lassen, dass die Verbindung eine hohe Langzeitstabilität, insbesondere eine hohe Temperaturwechselstabilität, aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls, bei dem ein elektrisches Anschlusselement zuverlässig mit einer Metallisierung verbunden ist.
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Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Verbinden eines Anschlusselements bzw. einer Gruppe von Anschlusselementen mit einer Metallisierung gemäß den Patentanspruch 1 und 12 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, zum Verbinden eines elektrisch leitenden Anschlusselements mit einer Metallisierung zunächst in einem ersten Schritt einen Fußbereich des Anschlusselements mittels einer Sonotrode an die Metallisierung zu pressen und simultan dazu die Sonotrode in eine Ultraschallschwingung zu versetzen, wodurch das Anschlusselement an die Metallisierung geheftet wird. In einem nachfolgenden zweiten Schritt wird das Anschlusselement dann mittels eines Schmelzschweißverfahrens, bei dem jedoch nicht die zum Heften eingesetzte Sonotrode verwendet wird, endgültig mit der Metallisierung verschweißt. "Heften" oder "Anheften" wird hierbei als provisorisches Befestigen verstanden. Als Schmelzschweißverfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung werden alle Schweißverfahren verstanden, bei denen sowohl die Metallisierung als auch das Anschlusselement im Bereich der Fügestelle über ihre jeweilige Liquidustemperatur erhitzt und dadurch zumindest lokal aufgeschmolzen werden.
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Durch das Anheften wird das Anschlusselement an der Metallisierung so weit fixiert, dass der nachfolgende Schweißvorgang durchgeführt werden kann, ohne dass während des Schweißvorgangs eine weitere Halterung des Anschlusselements erfolgen muss. Anders ausgedrückt kann die Positionierung des Anschlusselements auf der Metallisierung während des Schweißvorgangs allein durch das Anheften erfolgen. Mit diesem zweistufigen Verfahren lassen sich auch dann zuverlässige, im Temperaturwechselbetrieb langzeitstabile elektrisch leitende Verbindungen zwischen einem Anschlusselement und einer Metallisierung herstellen, wenn diese Materialien mit stark unterschiedlichen Härten aufweisen.
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Das Anheften kann bei allen Ausgestaltungen der Erfindung optional so erfolgen, dass die Festigkeit der durch das Anheften erzeugten Verbindung zwischen dem Anschlusselement und der Metallisierung geringer ist als bei herkömmlichen Ultraschallbondverfahren, bei denen das Anschlusselement durch Ultraschallbonden ohne nachfolgenden Schweißvorgang an der Metallisierung befestigt wird. Hierdurch kann die zum Anheften verwendete Bondvorrichtung, vor allem deren Sonotrode, weniger massiv und damit kostengünstiger ausgestaltet werden, da sie nur für eine vergleichsweise geringe Anpresskraft zwischen dem Anschlusselement und der Metallisierung ausgelegt sein muss. Dies ermöglicht außerdem die Verwendung einer vergleichsweise filigranen Sonotrode, was den weiteren Vorteil mit sich bringt, dass besonders feine Strukturen bearbeitet und/oder hohe Bestückungsdichten erreicht oder dicht vorbestückte Baugruppen bearbeitet werden können. Demgemäß kann das Anheften des Anschlusselementes an der Metallisierung unter Verwendung der Sonotrode optional so erfolgen, dass das zur Herstellung der Heftung verwendete untere Ende der Sonotrode nur über einen geringen Teil seiner "aktiven Fläche" zu einer Bondschweißverbindung zwischen dem Anschlusselement und der Metallisierung führt. Als "aktive Fläche" wird dabei die Querschnittsfläche der Sonotrode angesehen, die diese senkrecht zur Richtung der Kraft, mit der die Sonotrode gegen das Anschlusselement gepresst wird, in einem Abstand von 0,5 mm vom unteren Ende der Sonotrode aufweist. Das Anheften kann nun so erfolgen, dass die Fläche der Metallisierung, an der diese durch das Anheften mit der Metallisierung (noch nicht endgültig) verschweißt wird, höchstens 20% der aktiven Fläche ausmacht.
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Das zweistufige Verfahren lässt sich unter Anderem dazu einsetzen, ein Anschlusselement mit einer Metallisierungsschicht eines Schaltungsträgers zu verbinden, die auf einen Isolationsträger des Schaltungsträgers aufgebracht ist. Bei dem Isolationsträger kann es sich beispielsweise um ein dünnes Keramikplättchen. Die Dicke der Metallisierungsschicht ist grundsätzlich beliebig, das zweistufige Verfahren kann aber auch bei dünnen Metallisierungsschichten eingesetzt werden, beispielsweise wenn die Metallisierungsschicht vor dem Anheften im Bereich der späteren Fügestelle eine Dicke von kleiner oder gleich 2 mm, von kleiner oder gleich 1 mm, oder gar von kleiner oder gleich 0,5 mm aufweist. Grundsätzlich kann das Verfahren jedoch auch zum Verbinden von beliebigen anderen Fügepartnern eingesetzt werden.
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Als Schweißverfahren für das endgültige Verschweißen eignen sich prinzipiell beliebige Schweißverfahren, unter anderem berührungslose Schweißverfahren, z. B. alle Strahlschweißverfahren (beispielsweise Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen), oder Induktionsschweißen, allerdings wird zum endgültigen Verschweißen nicht die zum Heften verwendete Sonotrode eingesetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch einen teilweise bestückten Schaltungsträger mit einer Metallisierung, die mit einem Anschlusselement bestückt werden soll;
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2 den Schaltungsträger gemäß 1 während des Anheftens des Anschlusspins an die Metallisierung;
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3 den Schaltungsträger gemäß 2 mit dem angehefteten Anschlusselement;
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4–7 verschiedene Schweißpositionen beim endgültigen Verschweißen eines Anschlusselements mit einer Metallisierung;
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8 den Schaltungsträger mit dem angeschweißten Anschlusselement und einem weiteren Anschlusselement;
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9 die in ein Gehäuse eingebaute Anordnung gemäß 8;
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10 bis 15 verschiedene Schritte eines Verfahrens, bei dem mehrere Anschlusselemente mit einer Metallisierung verbunden werden, indem sämtliche dieser Anschlusselemente zunächst durch Unterstützung von Anpressdruck und Ultraschall an die Metallisierung geheftet und dann endgültig mit dieser verschweißt werden;
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16 eine vergrößerte Darstellung des in den 8, 9 und 11 bis 15 gezeigten Ausschnitts A1;
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17 eine Schnittansicht im Bereich des in 16 dargestellten Ausschnittes A1 in einer Schnittebene E1-E1, wobei die Schweißverbindung durch Punktschweißen realisiert ist;
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18 eine Schnittansicht im Bereich des in 16 dargestellten Ausschnittes A1 in einer Schnittebene E1-E1, wobei die Schweißverbindung als ringförmig geschlossene Schweißnaht ausgebildet ist;
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19 einen Ausschnitt A2, der dem in den 8, 9 und 11 bis 15 gezeigten Ausschnitt A1 entspricht, wobei das Anschlusselement einen rohrförmigen Schaft aufweist;
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20 eine Schnittansicht im Bereich des in 19 dargestellten Ausschnittes A2 in einer Schnittebene E2-E2, wobei die Schweißverbindung durch Punktschweißen realisiert ist;
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21 eine Schnittansicht im Bereich des in 19 dargestellten Ausschnittes A2 in einer Schnittebene E2-E2, wobei die Schweißverbindung als ringförmig geschlossene Schweißnaht ausgebildet ist;
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22 einen Ausschnitt A3, der dem in den 8, 9 und 11 bis 15 gezeigten Ausschnitt A1 entspricht, wobei das Anschlusselement durch Kehlschweißen mit der Metallisierung verbunden ist;
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23 eine Schnittansicht im Bereich des in 22 dargestellten Ausschnittes A3 in einer Schnittebene E3-E3, wobei die Schweißverbindung durch Punktschweißen realisiert ist;
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24 eine Schnittansicht im Bereich des in 22 dargestellten Ausschnittes A3 in einer Schnittebene E3-E3, wobei die Schweißverbindung als ringförmig geschlossene Schweißnaht ausgebildet ist;
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25 einen Ausschnitt A4, der dem in den 8, 9 und 11 bis 15 gezeigten Ausschnitt A1 entspricht, wobei das Anschlusselement einen rohrförmigen Schaft aufweist und durch Kehlschweißen mit der Metallisierung verbunden ist;
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26 eine Schnittansicht im Bereich des in 25 dargestellten Ausschnittes A4 in einer Schnittebene E4-E4, wobei die Schweißverbindung durch Punktschweißen realisiert ist;
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27 eine Schnittansicht im Bereich des in 25 dargestellten Ausschnittes A4 in einer Schnittebene E4-E4, wobei die Schweißverbindung als ringförmig geschlossene Schweißnaht ausgebildet ist;
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28 eine Schnittansicht eines Anschlusselements, das an eine Metallisierung geschweißt ist und das einen Schaft aufweist, der als gerader Stift ausgebildet ist;
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29 eine Schnittansicht eines Anschlusselements, das an eine Metallisierung geschweißt ist und das einen rohrförmigen Schaft aufweist;
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30 eine Schnittansicht eines Anschlusselements, das an eine Metallisierung geschweißt ist und das einen Schaft aufweist, der als Ausgleichselement zum Ausgleich mechanischer Spannungen ausgebildet ist;
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31 eine Schnittansicht durch ein Anschlusselement, das an eine Metallisierung geschweißt ist und das einen Schaft aufweist, der als flexibler Draht ausgebildet ist.
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32 eine Schnittansicht durch ein Anschlusselement, das an eine Metallisierung geschweißt ist und das ein freies Ende aufweist, welches als Gabelkopf ausgebildet ist;
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33 eine Schnittansicht durch ein Anschlusselement, das an eine Metallisierung geschweißt ist und das ein freies Ende aufweist, welches als Einpresskontakt ausgebildet ist;
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34 ein weiteres Beispiel für das Anheften eines Anschlusspins an eine Metallisierung;
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35 das Beispiel gemäß 34 in einer Position, in der eine Anpresskraft der Sonotrode gegen das Anschlusselement senkrecht zur Unterseite des Schaltungsträgers verläuft
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36 einen Horizontalschnitt durch die Anordnung gemäß 35 im Bereich des unteren Endes der Sonotrode;
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37 die Ansicht gemäß 36 nach dem Abreißen des Anschlusspins von der Metallisierung;
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38 einen Horizontalschnitt entsprechend dem Horizontalschnitt von 36, jedoch für die in 2 gezeigte Variante von Sonotrode und Anschlusselement; und
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39 die Ansicht gemäß 38 nach dem Abreißen des Anschlusspins von der Metallisierung.
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1 zeigt einen Schaltungsträger 2, der einen Isolationsträger 20, eine obere Metallisierungsschicht 21 und eine optionale untere Metallisierungsschicht 22 aufweist. In Abhängigkeit von der zu realisierenden Schaltung kann die obere Metallisierungsschicht 21 zu einer beliebigen Anzahl und zu beliebig verlaufenden Leiterbahnen 211, 212 strukturiert sein. Die obere Metallisierung 21 kann optional mit Halbleiterbauelementen wie beispielsweise einem Halbleiterchip 1 bestückt sein. Hierzu kann der Halbleiterchip 1 stoffschlüssig mit der oberen Metallisierung 21 verbunden werden.
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Außerdem können elektrisch leitende Verbindungselemente 4, beispielsweise Bonddrähte, vorhanden sein, um verschiedene Komponenten elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
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Weiterhin ist eine Sonotrode 5 bereitgestellt, sowie ein Anschlusselement 3, welches mit Hilfe der Sonotrode 5 an die obere Metallisierung 21, hier die Leiterbahn 211, geheftet werden soll.
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Dazu wird in einem ersten Schritt, wie er in 2 gezeigt ist, ein Fußbereich 31 des Anschlusselements 3 durch die Sonotrode 5 mit einer vorgegebenen Kraft F gegen die Metallisierung 21 gepresst und dabei in etwa parallel zur Oberfläche der Metallisierung 21 hochfrequent hin und her bewegt, was durch entsprechende, parallel zur Oberfläche der Metallisierung 21 verlaufende Pfeile angedeutet ist. Hierdurch wird das Anschlusselement 3 an die Metallisierung 21 angeheftet. 3 zeigt die Anordnung mit dem an die Metallisierung 21 angehefteten Anschlusselement 3 nach dem Entfernen der Sonotrode 5. Das Anschlusselement 3 ist nun allein durch die so hergestellte Verbindung ausreichend fixiert, so dass es, ohne durch eine weitere Halterung gehalten zu werden, in einem nachfolgenden zweiten Schritt an die Metallisierung 21 geschweißt werden kann. Hierbei kontaktiert das Anschlusselement 3 die Metallisierung 21 unmittelbar.
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Bei allen Varianten der Erfindung kann das Verbindungsverfahren optional so durchgeführt werden, dass die Verbindung ausschließlich zwischen den Materialien des Anschlusselementes 3 und der Metallisierung 21 erfolgt und dass kein weiterer Werkstoff, wie beispielsweise beim Löten ein Lot, hinzugefügt wird. Unabhängig davon kann für das Verbindungsverfahren auch auf die ergänzende Verwendung mechanischer Montagehilfen wie beispielsweise Hülsen, Klammern, Versteifungen, verzichtet werden.
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Die 4 bis 7 zeigen verschiedene Schweißpositionen einer Strahl-Schweißvorrichtung 6, welche einen Schweißstrahl 61 bereitstellt, mittels dem das Anschlusselement 3 endgültig mit der Metallisierung 21 verschweißt wird. Wie den 4 und 5 zu entnehmen ist, kann der Fußbereich 31 als Flansch ausgebildet sein, der von seiner der Metallisierung 21 abgewandten Seite an die Metallisierung 21 geschweißt wird, d. h. der Schweißstrahl 61 fällt auf die der Metallisierung 21 abgewandte Seite des Fußbereichs 31. Bei den auf diese Weise hergestellten Schweißverbindungen kann es sich um einzelne Punktschweißungen handeln, oder aber um längere Schweißnähte, die auch ringförmig geschlossen sein können.
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Wie im Weiteren in den 6 und 7 veranschaulicht wird, können der Fußbereich 31 und die Metallisierung 21 auch mittels einer Kehlnaht endgültig verschweißt werden. Auch hier kann die Schweißverbindung zwischen dem Fußbereich 31 und der Metallisierung 21 mittels punktförmiger Schweißungen oder mittels einer längeren Schweißnaht, insbesondere auch einer ringförmig geschlossenen Schweißnaht, hergestellt werden. Grundsätzlich können beliebig geartete und beliebig viele Typen von Schweißverbindungen beim endgültigen Verschweißen eines Anschlusselements 3 mit einer Metallisierung frei miteinander kombiniert werden.
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Auf die vorangehend erläuterte Weise können auch zwei oder mehr gleich oder verschieden ausgebildete Anschlusselemente 3, 3' mit demselben oder mit verschiedenen Abschnitten 211, 212 einer Metallisierung 21 miteinander verbunden werden, was beispielhaft in 8 gezeigt ist. In dem Beispiel gemäß 8 wurde zuerst das Anschlusselement 3 entsprechend dem vorangehend erläuterten zweistufigen Verfahren an die Metallisierung 21 geheftet und danach endgültig mit dieser durch Schmelzschweißen verschweißt, und danach wurde das andere Anschlusselement 3' entsprechend dem vorangehend erläuterten zweistufigen Verfahren an die Metallisierung 21 geheftet und danach endgültig mit dieser durch Schmelzschweißen verschweißt. Die Fußbereiche 31, 31' beider Anschlusselemente 3, 3' waren dabei bereits vor Beginn des zweistufigen Verbindungsverfahrens flanschförmig ausgebildet. Nach dem endgültigen Verschweißen weisen die beiden Anschlusselemente 3, 3' jeweils einen flanschförmigen Fußbereich 31 bzw. 31', ein freies Ende 32 bzw. 32', sowie einen dazwischen ausgebildeten Schaft 30 bzw. 30' auf.
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Nachdem jedes der Anschlusselemente 3, 3' zunächst wie erläutert an die Metallisierungsschicht 21 geheftet und danach mit der Metallisierungsschicht 21 endgültig verschweißt wurde, kann die Anordnung mit einem Gehäuse 10 versehen werden, beispielsweise wenn ein Halbleitermodul mit Gehäuse hergestellt werden soll. Dabei können die freien Enden 32, 32' eines, mehrerer oder sämtlicher der auf die beschriebene Weise mit der Metallisierung 21 verbundenen Anschlusselemente 3, 3' an der Außenseite des Gehäuses 10 frei liegen, um eine externe Beschaltung des Halbleitermoduls zu ermöglichen.
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Ebenso ist es möglich, mehrere Anschlusselemente 3, 3' mit demselben oder verschiedenen Abschnitten 211, 212 der Metallisierung 21 zu verbinden, indem sämtliche dieser Anschlusselemente 3, 3' zunächst wie erläutert an die Metallisierung angeheftet und erst dann endgültig mit dieser verschweißt werden. Das bedeutet, dass erst eine Gruppe mit zwei oder mehr Anschlusselementen 3, 3' wie in den 10 und 11 schematisch veranschaulicht, an die Metallisierung 21 angeheftet werden kann, und zwar bevor eines der Anschlusselemente 3, 3' der Gruppe durch Schmelzschweißen an die Metallisierung 21 geschweißt wird, und erst danach sämtliche Anschlusselemente 3, 3' der Gruppe mittels jeweils wenigstens einer Schmelzschweißverbindung mit der Metallisierung 21 zu verbinden, was schematisch in den 12 bis 15 gezeigt ist. Eine auf diese Weise hergestellte Anordnung kann optional in einem Gehäuse 10 montiert werden, so dass eine Anordnung gemäß 9 entsteht.
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16 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in den 8, 9 und 11 bis 15 gezeigten Ausschnitts A1. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass der Fußbereich 31 durch wenigstens eine Schmelzschweißverbindung 7 mit der Metallisierung 21 verbunden ist. Die Schmelzschweißverbindung 7 kann dabei, wie in der Schnittansicht gemäß 17 gezeigt ist, durch eine oder mehrere Punktschweißstellen realisiert sein, oder – wie in 18 dargestellt ist – durch eine längliche Schweißnaht, die auch ringförmig geschlossen sein kann.
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Der in 19 gezeigte Ausschnitt A2 entspricht dem in den 8, 9 und 11 bis 15 gezeigten Ausschnitt mit dem Unterschied, dass das Anschlusselement einen rohrförmigen Schaft 30 mit einer Durchgangsöffnung 35 aufweist. Auch hier kann die Schweißverbindung 7, wie in der Schnittansicht gemäß 20 gezeigt ist, durch eine oder mehrere Punktschweißstellen realisiert sein, oder – wie in 21 dargestellt ist – durch eine längliche Schweißnaht, die auch ringförmig geschlossen sein kann.
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Der in 22 gezeigte Ausschnitt A3 entspricht dem in den 8, 9 und 11 bis 15 gezeigten Ausschnitt mit dem Unterschied, dass das Anschlusselement durch Kehlschweißen mit der Metallisierung 21 verbunden ist. Auch hier kann die Schweißverbindung 7, wie in der Schnittansicht gemäß 23 gezeigt ist, durch eine oder mehrere Punktschweißstellen realisiert sein, oder – wie in 24 dargestellt ist – durch eine längliche Schweißnaht, die auch ringförmig geschlossen sein kann.
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Der in 25 gezeigte Ausschnitt A4 entspricht dem in 19 gezeigten Ausschnitt mit dem Unterschied, dass das Anschlusselement einen rohrförmigen Schaft 30 mit einer Durchgangsöffnung 35 aufweist. Auch hier kann die Schweißverbindung 7, wie in der Schnittansicht gemäß 26 gezeigt ist, durch eine oder mehrere Punktschweißstellen realisiert sein, oder – wie in 27 dargestellt ist – durch eine längliche Schweißnaht, die auch ringförmig geschlossen sein kann.
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Die vorangehend lediglich beispielhaft erläuterten Anschlusselemente 3, 3' waren jeweils mit einem Fußbereich 31 bzw. 31', einem geraden Schaft 30 bzw. 30' und einem freien Ende 32 bzw. 32' ausgestattet. Der Schaft 30 kann beispielsweise – wie in 28 gezeigt – als Stift, oder – wie in 29 gezeigt – als Rohr ausgebildet sein. Ebenso kann ein Anschlusselement 3 jedoch auch einen Schaft 30 aufweisen, der als Ausgleichselement zum Ausgleich mechanischer Spannungen mit einem Federelement oder einem Dehnungsbogen ausgebildet ist, siehe 30, oder der als flexibler Draht ausgebildet ist, siehe 31.
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Weiterhin müssen die freien Enden 32 nicht notwendiger Weise als gerade Enden ausgebildet sind, sondern es sind verschiedenste Ausgestaltungen möglich. So kann ein freies Ende 32 zum Beispiel als Gabelkopf ausgebildet sein, siehe 32, oder als Einpresskontakt, der unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung in eine Öffnung einer Leiterplatte oder eines Leiters eingepresst werden kann, siehe 33. Wie in den jeweiligen Figuren dargestellt ist, können sich die freien Enden 32 jeweils an der Außenseite eines Gehäuses 10 angeordnet sein, in dessen Innenraum z.B. ein Halbleiterchip 1 angeordnet sein kann. Unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung eines Anschlusselementes 3 kann dessen Fußbereich 31 vor dem Anheften des Anschlusselementes 3 an die Metallisierung 21 und nach dem endgültigen Verschweißen des Anschlusselements 3 mit der Metallisierung 21 flanschförmig ausgestaltet sein.
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Nachfolgend wird anhand von zwei Beispielen noch das Prinzip erläutert, mit dem das Anheften eines Anschlusselementes an eine Metallisierung bei allen Ausgestaltungen der Erfindung erfolgen kann. 35 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Sonotrode 5 während des Anheftens eines Anschlusselementes 3 an eine Metallisierung 21 eines Schaltungsträgers 2, wie er bereits beschrieben wurde. Der Schaltungsträger 2 kann bereits mit einem oder mehreren Halbleiterchips 1 und/oder anderen Bauelementen bestückt sein.
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Das Anschlusselement 3 ist – anders als bei dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel – nicht durch die Sonotrode 5 hindurchgeführt. Der Schaft 30 verläuft also seitlich neben der Sonotrode 5 und nicht durch diese hindurch. Außerdem ist der Fußbereich 31 des Anschlusselementes 3 L-förmig ausgebildet. 35 zeigt die Anordnung in einer Position während des Anheftens, bei der bei der das untere Ende der Sonotrode 5 auf dem Anschlusselement 3 aufliegt und mit einer Kraft F gegen die Metallisierung 21 gepresst wird, wobei die Kraft F senkrecht zur Unterseite des Schaltungsträgers 2 verläuft. Ebenfalls dargestellt ist eine Schnittebene E5, welche in einem Abstand d = 0,5 mm vom unteren Ende der Sonotrode 5 senkrecht zur Richtung der Kraft F durch die Sonotrode 5 hindurch verläuft. 36 zeigt eine Ansicht in der Schnittebene E5. In dieser Schnittebene E5 besitzt die Sonotrode 5 eine Querschnittsfläche der Größe A5.
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Reißt man das nur an die Metallisierung 21 geheftete aber noch nicht endgültig angeschweißte Anschlusselement 3 nach dem Entfernen der Sonotrode 5 zu Testzwecken wieder von der Metallisierung 21 ab, was im Ergebnis in 37 gezeigt ist, so erkennt man durch einfache optische Inspektion einen Bereich 215, in dem die Metallisierung 21 durch Einwirkung der Sonotrode 5 mit dem Anschlusselement 3 verschweißt war, sowie einen Bereich, in dem keine Verschweißung zwischen der Metallisierung 21 und der Sonotrode 5 erfolgt ist. Entsprechend können auch zwei oder mehr voneinander getrennte Bereiche 215 der Metallisierung 21 vorliegen, in denen die Metallisierung 21 durch Einwirkung der Sonotrode 5 mit dem Anschlusselement 3 verschweißt wird. Unabhängig von der Anzahl dieser Bereiche 215 wird die Größe von deren Gesamtfläche mit A215 bezeichnet. Das Anheften kann nun so erfolgen, dass das Verhältnis von A215 zu A5 größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,2 ist: 0 < A215 / A5 ≤ 0,2
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Demgegenüber würde dieses Verhältnis bei herkömmlichen Verbindungen gemäß dem Stand der Technik, bei denen eine reine Bondverbindung zwischen einem Anschlusselement und einer Metallisierung hergestellt wird, etwa im Bereich von 0,9 liegen.
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38 zeigt noch ein weiteres Beispiel für eine Schnittansicht entsprechend 36, jedoch für die in 2 gezeigte Variante von Sonotrode 5 und Anschlusselement 3. Die dargestellte Schnittebene verläuft wiederum senkrecht zur Kraft F in einem Abstand von d = 0,5 mm vom unteren Ende der Sonotrode 5. Wie aus der Darstellung gemäß 38 ersichtlich ist, kann der Schaft des Anschlusselementes 3 durch die Sonotrode 5 hindurchgeführt sein.
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39 zeigt dieselbe Anordnung wie 38 nach dem Entfernen der Sonotrode 5 und dem Abreißen des Anschlusselementes 3 von der Metallisierung. Hier sind beispielhaft vier Bereiche 215 gezeigte, in denen die Metallisierung 21 durch die Einwirkung der Sonotrode 5 mit dem Anschlusselement 3 verschweißt war. Die Gesamtfläche dieser Bereiche 215 beträgt A215. Hier wie kann, wie bei allen anderen Varianten der Erfindung, das Verhältnis von A215 zu A5 größer als 0 und kleiner oder gleich 0,2 gewählt werden.
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Bei sämtlichen Varianten der Erfindung kann die Metallisierung 21, bevor oder nachdem diese auf die vorangehend erläuterte Weise mit einem oder mehreren Anschlusselementen 3, 3' versehen wird, mit einem oder mehreren Halbleiterchips 1 oder sonstigen weiteren Komponenten bestückt werden.
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Anders als bei reinen (herkömmlichen) Ultraschallbondverfahren lässt sich mit dem vorliegenden zweistufigen Verbindungsverfahren ein Anschlusselement 3, 3' auch dann zuverlässig mit einer Metallisierung 21 verbinden, wenn das Anschlusselement 3, 3' und die Metallisierung 21 stark unterschiedliche Vickershärten aufweisen. So können beispielsweise das Anschlusselement 3, 3' eine erste Vickershärte und die Metallisierung 21 eine zweite Vickershärte derart aufweisen, dass der Quotient zwischen der ersten Vickershärte und der zweiten Vickershärte kleiner ist als 1/3 oder größer als 3. Als Beispiel hierfür sei eine Kupfermetallisierung 21 mit einer Vickershärte von ca. 100 HV genannt, mit der ein Anschlusselement 3, 3' aus einem Federstahl mit einer Vickershärte von ca. 810 HV verbunden wird.
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Grundsätzlich eignet sich das Verbindungsverfahren natürlich auch zum Verbinden eines Anschlusselements 3, 3', das eine erste Vickershärte aufweist, mit einer Metallisierung 21, die eine zweite Vickershärte aufweist, wenn der Quotient zwischen der ersten Vickershärte und der zweiten Vickershärte im Bereich von 1/3 bis 3 liegt. Als Beispiel hierfür sei eine Kupfermetallisierung 21 mit einer Vickershärte von ca. 100 HV genannt, mit der ein Anschlusselement 3, 3' aus einer Bronze (z.B. CuSn6, Vickershärte ca.100 HV bis 220 HV) oder aus CuFe2P (Vickershärte ca. 100 HV bis 170 HV) verbunden wird.
