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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung. Die Halbleiteranordnung weist wenigstens ein Halbleiterbauelement auf. Die Halbleiteranordnung weist auch wenigstens eine Wärmesenke auf. Das Halbleiterbauelement ist mit der Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist die Halbeiteranordnung der eingangs genannten Art ein Gegenlager auf, wobei die Wärmesenke mindestens mittelbar mit dem Gegenlager verbunden ist. Die Halbleiteranordnung weist auch ein Andruckelement auf, wobei das Andruckelement in einem sich zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Gegenlager erstreckenden Zwischenraum angeordnet ist. Das Andruckelement weist einen zum Expandieren ausgebildeten Kunststoffschaum auf. Der Kunststoffschaum ist ausgebildet, beim Expandieren einen Druck zu erzeugen und den Halbleiterbaustein an die Wärmesenke zu pressen und dabei gegen das Gegenlager abzustützen. Das Gegenlager ist bevorzugt durch eine Wand, insbesondere Gehäusewand eines das Halbleiterbauelement umschließenden Gehäuses gebildet. Dadurch kann das Halbleiterbauelement, insbesondere in Gehäusen mit wenig Bauraum, aufwandsgünstig und platzsparend mit der Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden und an die Wärmesenke angedrückt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Halbleiteranordnung umfasst das Gegenlager einen weiteren Halbleiterbaustein und eine mit dem weiteren Halbleiterbaustein verbundene weitere Wärmesenke. Dadurch kann das Andruckelement vorteilhaft platzsparend zwischen den Halbleiterbausteinen angeordnet sein und die Halbleiterbausteine voneinander abweisend gegen die jeweilige Wärmesenke pressen.
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Die Wärmesenke ist bevorzugt durch einen Kühlkörper, insbesondere einen Aluminiumkühlkörper, gebildet. Der Kühlkörper weist bevorzugt Kühlrippen und/oder wenigstens einen Fluidkanal zum Führen eines Kühlfluids, insbesondere Kühlwasser, auf.
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Die Wärmesenke ist bevorzugt mit dem Gegenlager mittels wenigstens eines Verbindungselements, bevorzugt starr, verbunden. Das Verbindungselement ist bevorzugt durch eine Strebe, eine Wand, insbesondere eine Gehäusewand eines Gehäuses, für die Halbleiteranordnung gebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Andruckelement ein Gefäß, insbesondere einen Behälter auf, wobei der Behälter einen Hohlraum umschließt. Bevorzugt weist der Behälter eine Behälterwand und wenigstens eine Öffnung auf. Der Kunststoffschaum ist insbesondere in dem Hohlraum angeordnet. In einer abgewandelten Ausführung weist der Behälter zwei Öffnungen auf und ist als Hohlkörper, insbesondere Hohlzylinder ausgebildet.
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Bevorzugt weist die Behälterwand einen Behälterboden auf. Der Behälter mit dem Behälterboden weist eine Öffnung auf, durch welche der Kunststoffschaum beim Expandieren austreten kann. Bevorzugt ist die Öffnung oder der Behälterboden dem Halbleiterbauteil zugewandt. So kann der Schaum vorteilhaft beim Ausdehnen zu der Öffnung hin expandieren, wodurch eine Expansionsrichtung des Kunststoffschaumes und so eine Richtung des ausgeübten Druckes auf das Halbleiterbauelement vorteilhaft festgelegt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Behälter eine Einlassöffnung zum Zuführen des Kunststoffschaumes, insbesondere von Reaktanten als Ausgangsstoffe zum Erzeugen des Kunststoffschaumes, auf, wobei der Kunststoffschaum aus den Reaktanten in dem Behälter erzeugt ist. Dadurch kann das Andruckelement vorteilhaft zum Befestigen des Halbleiterbauelements an die Wärmesenke in den Zwischenraum eingeführt werden, worauf der Kunststoffschaum, insbesondere die Ausgangsstoffe als Reaktanten zum Erzeugen des Kunststoffschaumes, in einem weiteren Schritt in den Hohlraum des Behälters eingeführt, insbesondere eingespritzt, werden können, woraufhin die Reaktanten zum Kunststoffschaum unter Volumenexpansion ausreagieren können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Behälter zumindest eine elastisch ausgebildete Membran auf. Die Membran ist bevorzugt ausgebildet, die zumindest eine Öffnung zu verschließen und beim Expandieren des Kunststoffschaumes gegen das Halbleiterbauelement oder das Gegenlager zu pressen. So kann der Kunststoffschaum vorteilhaft in dem Behälter eingeschlossen sein. Weiter vorteilhaft kann der Kunststoffschaum so beim Expandieren nicht aus dem Behälter austreten und Verunreinigungen verursachen.
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Der Behälter weist bevorzugt eine Entlüftungsöffnung auf, welche ausgebildet ist, Luft aus dem Behälter entweichen zu lassen, und beim Expandieren des Kunststoffschaumes durch den Kunststoffschaum verschlossen zu werden. Dadurch kann der Kunststoffschaum vorteilhaft sicher und sauber expandieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran eine Elastomer-Membran, insbesondere eine Silikongummi-Membran oder eine elastisch ausgebildete Polyurethan-Membran.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Behälter selbst durch eine flexible und/oder elastische Membran gebildet, insbesondere als vorwiegend geschlossener Behälter. Beispielsweise ist der Behälter dann in Form eines flexiblen und/oder elastischen Ballonkörpers mit einer einen Hohlraum umschließenden Ballonhülle ausgebildet. Dabei ist der Kunststoffschaum in der Ballonhülle eingeschlossen. Der Ballonkörper weist eine Einfüllöffnung zum Einfüllen der Ausgangsstoffe zum Erzeugen des Kunststoffschaumes auf und ist ausgebildet, bei der Expansion des Kunststoffschaumes zu einer vorbestimmten Form, insbesondere Kugelform oder Kissenform zu expandieren und das Halbleiterbauelement anzupressen. Der Ballonkörper ist in der expandierten Form beispielsweise kugelförmig oder kissenförmig ausgebildet. Die Ballonhülle des Ballonkörpers kann aus einem der bereits erwähnten Materialien wie die Elastomermembran, oder aus einem flexiblen Thermoplast gebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kunststoffschaum ein Polyurethan-Schaum. Der Polyurethan-Schaum ist bevorzugt aus wenigstens einem Isocyanat, insbesondere Poly-Isocyanat, bevorzugt Di-Isocyanat und wenigstens einem Poly-ol, insbesondere Di-ol als Reaktanten gebildet. Dadurch kann der Kunststoffschaum vorteilhaft in dem Zwischenraum, bevorzugt in dem Behälter unter Volumenexpansion zu einem Kunststoff ausreagieren.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Kunststoffschaum ein federnd ausgebildeter offenzelliger Schaum, wobei der Kunststoffschaum in einem gasdicht ausgebildeten Beutel angeordnet und ausgebildet ist, beim Vakuumieren des Beutels, insbesondere beim Absaugen von Luft aus dem Beutel, sein Volumen zu verkleinern und dabei federnd einzuschrumpfen. Dadurch kann das Andruckelement vorteilhaft platzsparend ausgebildet sein und einfach in den Zwischenraum eingeführt werden. Dadurch kann vorteilhaft bei einem Nachlassen des Vakuums, insbesondere beim Einströmen von Luft in den Beutel, der Kunststoffschaum expandieren und federnd gegen das Halbleiterbauelement drücken. In dieser Ausführungsform weist der Behälter beispielsweise zwei zueinander gegenüberliegende Öffnungen auf, so dass der Behälter eine Hülse ausbildet. Ein Öffnungsrand des Behälters ist bevorzugt auf das Gegenlager aufgesetzt, so dass das Gegenlager die Öffnung verschließen kann. Der Kunststoffschaum kann so beim Expandieren durch die dem Gegenlager zugewandte Öffnung gegen das Gegenlager abstützen, und durch die dem Halbleiterbauelement zugewandte Öffnung gegen das Halbleiterbauelement pressen.
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Der Beutel weist bevorzugt eine Perforation auf, wobei eine Wand des Beutels im Bereich der Perforation dünner ausgebildet ist als in einem die Perforation umgebenden Bereich. So kann der Beutel vorteilhaft im Bereich der Perforation verletzt werden und aufreißen, sodass Luft in den Kunststoffschaum eindringen und den Kunststoffschaum so expandieren kann.
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In einer angewandelten Ausführungsform ist der Beutel durch ein Netz ersetzt. In dem Netzt ist dann der federnd ausgebildeter offenzelliger Schaum eingeschlossen und komprimiert gehalten. Ferner ist der offenzellige Schaum derart ausgebildet, beim Öffnen des Netzes federnd zu expandieren. So kann das Andruckelement vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Anpressen eines Halbleiterbauelements an eine Wärmesenke, insbesondere einen Kühlkörper. Bei dem Verfahren wird ein Kunststoffschaum in einen sich zwischen dem Halbleiterbauelement und einem mit der Wärmesenke insbesondere starr verbundenen Gegenlager erstreckenden Zwischenraum eingefügt, wobei der Kunststoffschaum in dem Zwischenraum zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Gegenlager expandiert und so mittels der Expansion das Halbleiterbauelement gegen das Gegenlager stützend, gegen die Wärmesenke anpresst.
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Bevorzugt wird der Kunststoffschaum bei dem Verfahren in dem Zwischenraum aus Reaktanten als Ausgangsstoffe erzeugt. Dazu werden in den Zwischenraum Reaktanten zum Erzeugen des Kunststoffschaumes eingefügt, worauf die Reaktanten volumenexpandierend, insbesondere unter Gaserzeugung, zum Kunststoffschaum ausreagieren, bevorzugt polymerisieren, und dabei das Halbleiterbauelement an die Wärmesenke anpressen.
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In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird ein in einem evakuierten Beutel eingeschlossener offenzelliger – insbesondere auspolymerisierter – Kunststoffschaum in den Zwischenraum eingefügt. Danach wird der Beutel geöffnet, wobei der Kunststoffschaum dabei federnd expandiert und das Halbleiterbauelement gegen die Wärmesenke presst.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Kunststoffschaum in einem Behälter mit zumindest einer Öffnung angeordnet, wobei die zumindest eine Öffnung des Behälters mit einer elastisch ausgebildeten Membran verschlossen ist und die Membran oder ein Boden des Behälters zu dem Halbleiterbauelement weist, so dass beim Expandieren des Kunststoffschaumes die Membran auswölbt und die ausgewölbte Membran dabei an das Halbleiterbauelement andrückt. In gleicher Weise kann der Behälter auch zwei Öffnungen in der Art aufweisen, dass dadurch ein Hülsenkörper ausgebildet ist, wobei eine der Öffnungen zum Halbleiterbauelement weist. Bevorzugt sind beide Öffnungen jeweils durch eine elastisch ausgebildete Membran verschlossen. Beim Expandieren des Kunststoffschaumes werden bevorzugt beide Membranen ausgewölbt, wobei eine der Membranen dabei an das Halbleiterleiterbauelement andrückt und die andere Membran sich gegen das Gegenlager abstützt.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiteranordnung, bei der Ausgangsstoffe zum Erzeugen eines Kunststoffschaums in einen Zwischenraum zwischen einem Halbleiterbauelement und einem Gegenlager eingefügt werden und dort unter Volumenexpansion ausreagieren und das Halbleiterbauelement gegen eine Wärmesenke andrücken;
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiteranordnung, bei der ein federnd komprimierter Kunststoffschaum in einen Zwischenraum zwischen einem Halbleiterbauelement und einem Gegenlager eingefügt wird und dort freigegeben wird und so unter Volumenexpansion das Halbleiterbauelement gegen eine Wärmesenke andrücken kann.
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1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine Halbleiteranordnung 1. Die Halbleiteranordnung 1 weist ein Halbleiterbauelement 3 auf. Das Halbleiterbauelement 3 ist beispielsweise durch einen integrierten Schaltkreis, eine Leistungsendstufe oder einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Feldeffekttransistor, gebildet. Die Leistungsendstufe weist bevorzugt wenigstens eine oder mehrere Halbleiterschalter-Halbbrücken auf.
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Die Halbleiteranordnung 1 weist auch eine Wärmesenke 4 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Kühlkörper, umfassend Kühlrippen gebildet ist. Die Halbleiteranordnung 1 weist auch ein Gegenlager 5 auf, welches in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Wand, insbesondere eine Gehäusewand, gebildet ist. Die Wärmesenke 4 ist mit einer weiteren Gehäusewand 13 wärmeleitfähig verbunden. Das Halbleiterbauelement 3 ist mittels eines Wärmeleitmediums 6, insbesondere einer Wärmeleitpaste, mit der weiteren Gehäusewand 13 wärmeleitfähig verbunden. Von dem Halbleiterbauelement 3 erzeugte Verlustwärme kann so über das Wärmeleitmedium 6, weiter über die weitere Gehäusewand 13, zur Wärmesenke 4 fließen.
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Die Halbleiteranordnung 1 weist auch ein Verbindungselement 7 und ein Verbindungselement 8 auf, welche jeweils mit der weiteren Gehäusewand 13 und dem Gegenlager 5 schraubverbunden sind und so eine starre Verbindung zwischen der weiteren Gehäusewand 13 und dem Gegenlager 5 erzeugen.
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Das Gegenlager 5 und die weitere Gehäusewand 13 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel parallel zueinander und schließen einen Zwischenraum 30 zwischeneinander ein. Das Verbindungselement 7 ist mittels einer Schraube 9 mit der weiteren Gehäusewand 13 und mittels einer Schraube 11 mit der das Gegenlager 5 bildenden Gehäusewand schraubverbunden. Das Verbindungselement 8 ist mittels einer Schraube 10 mit der weiteren Gehäusewand 13 und mittels einer Schraube 12 mit dem Gegenlager 5 schraubverbunden. Die Verbindungselemente 7 und 8 sind jeweils beispielsweise durch eine Strebe, einen Stab oder durch eine Gehäusewand gebildet.
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Die Halbleiteranordnung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Andruckelement 14. Das Andruckelement 14 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Behälter 14, wobei der Behälter 14 eine Behälterwand 15 und einen Behälterboden 34 aufweist. Der Behälter 14 umschließt einen Hohlraum 31. Der Behälter 14 weist eine Öffnung 17 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Membran 16, insbesondere einer elastischen Kunststoff-Folie, einer Elastomer-Membran, oder eine Gummi-Membran, insbesondere Silikongummi-Membran, verschlossen ist.
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Der Behälter 14 weist eine Einlassöffnung 22 auf, welche an den Hohlraum 31 angeschlossen ist. Die Einlassöffnung 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Einlassstutzen gebildet, welcher ausgebildet ist, mit einem Schlauch 18 verbunden zu werden. Der Hohlraum 31 des Behälters 14 kann so über den Schlauch 18, welcher an die Einlassöffnung 22 angeschlossen ist, mit Kunststoffschaum-Reaktanten 19 befüllt werden. Die Behälterwand des Behälters 14 weist in diesem Ausführungsbeispiel im Bereich der Membran 16 eine Entlüftungsöffnung 33 auf, welche ausgebildet ist, Luft aus dem Hohlraum 31 beim Expandieren, insbesondere beim Ausreagieren der Kunststoffschaum-Reaktanten 19 zum Kunststoffschaum 20, entweichen zu lassen. Die Entlüftungsöffnung 33 ist ausgebildet, von dem Kunststoffschaum 20 beim Expandieren des Kunststoffschaumes 20 durch im Kunststoffschaum 20 erzeugte Gasblasen 21, verschlossen, insbesondere verstopft zu werden. So kann der Kunststoffschaum 20 beim Expandieren einen Druck gegen die Membran 16 erzeugen. Die Membran 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch als ausgewölbte Membran 16‘ dargestellt, welche durch den expandierenden Kunststoffschaum 20 ausgewölbt worden ist.
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Das Andruckelement 14 kann so mit dem Behälterboden 34 gegen das Gegenlager 5, gebildet durch die Gehäusewand 13, abstützen und mit der Membran 16 durch den expandierenden Kunststoffschaum 20 aus der Behälteröffnung 17 heraus gewölbt, gegen das Halbleiterbauelement 3 pressen.
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Die Kunststoffschaum-Reaktanten 19 umfassen in diesem Ausführungsbeispiel wenigstens ein Di-Ol, ein Di-Isocyanat, welche ausgebildet sind, gemeinsam – mittels Polyaddition – zu dem Kunststoffschaum 20 auszupolymerisieren.
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Die Kunststoffschaum-Ausgangsstoffe 19 können beispielsweise ausreichend Wasser umfassen, welches ausgebildet ist, unter Harnstoffbrückenbildung mit dem Di-Isocyanat zu reagieren und dabei Kohlendioxid als Gasblasen 21 zu erzeugen. Der Kunststoffschaum 20 kann so während des Ausreagierens volumenerzeugend expandieren und gegen die Membran 16 drücken.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Kunststoffschaum 20 auch in einem Behälter eingeschlossen sein, bei welcher der Behälter selbst durch eine flexible und/oder elastische Membran gebildet ist, insbesondere als vorwiegend geschlossener Behälter. Beispielsweise ist der Behälter dann in Form eines flexiblen und/oder elastischen Ballonkörpers mit einer einen Hohlraum umschließenden Ballonhülle ausgebildet, wobei der Kunststoffschaum 20 in der Ballonhülle eingeschlossen wird und beim Expandieren gegen den Halbleiterbaustein 3 presst.
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2 zeigt – schematisch – ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Halbleiteranordnung 2. Die Halbleiteranordnung 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Wärmesenke 4 auf und ein Halbleiterbauelement 3, welches mittels eines Wärmeleitmittels 6, beispielsweise einer Wärmeleitpaste, mit der Wärmesenke 4 verbunden ist. Die Wärmesenke 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines – gestrichelt dargestellten – Verbindungselements 26 mit einem Gegenlager 27, gebildet durch eine Wand, insbesondere eine Gehäusewand, fest verbunden.
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Das Verbindungselement 26 ist beispielsweise durch wenigstens ein weiteres Gehäuseteil oder ein weiteres Bauteil gebildet. Das weitere Bauteil oder das weiter Gehäuseteil kann Bestandteil der Halbleiteranordnung 2 sein.
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Die Halbleiteranordnung 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Andruckelement 28, welches einen Behälter, in diesem Ausführungsbeispiel eine Hülse 29, insbesondere eine Kunststoffhülse, oder eine Aluminiumhülse umfasst. Zwischen der Wärmesenke 4 und dem Gegenlager 27 ist ein Zwischenraum 30 ausgebildet. Das Andruckelement 28 ist in dem Zwischenraum 30 angeordnet. Die Hülse 29 ist beispielsweise durch eine hohlzylinderförmige Hülse gebildet, welche einen Hohlraum 32 umschließt. In dem Hohlraum 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Kunststoffschaum 24 angeordnet. Die Hülse 23 ist ausgebildet, den Kunststoffschaum 24 aufzunehmen und eine Expansion des Kunststoffschaumes 24 zu führen.
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Der Kunststoffschaum 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen offenzelligen Kunststoffschaum, insbesondere einen Polyurethan-Schaum oder einen Polyether-Urethan-Schaum gebildet. Der Kunststoffschaum 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Zellen auf, von denen eine Zelle 25 beispielhaft bezeichnet ist.
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Der Kunststoffschaum 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem Beutel 23, insbesondere einem Kunststoffbeutel, eingeschlossen.
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Der Beutel 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel vakuumiert, sodass der Kunststoffschaum 24 zusammengepresst ist und von dem Beutel 23 in einer kleinen, zusammengepressten Form gehalten ist.
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Der Beutel 23 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Perforation 35 auf. Der Kunststoffbeutel 23 ist ausgebildet, an der Perforation 35 aufzureißen und so den Kunststoffschaum 24 freizugeben. Der Kunststoffschaum 24 kann beim Freigegebenwerden federnd expandieren.
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Die Hülse 29 kann eine – in 2 nicht dargestellte – Öffnung aufweisen, durch die ein Schneidwerkzeug oder Trennwerkzeug eingreifen kann und den Beutel 23 an der Perforation 35 auftrennen kann.
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2 zeigt auch den aufgerissenen Beutel 23‘, welcher den expandierten Kunststoffschaum 24‘ freigegeben hat.
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Die Zellen des Kunststoffschaumes 24 wie die Zelle 25 weisen vor dem Expandieren aus dem Beutel 23 heraus ein kleineres Volumen auf, als nach dem Expandieren zu der expandierten Zelle 25‘ im expandierten Kunststoffschaum 24‘. Der expandierte Kunststoffschaum 24‘ kann so gegen das Gegenlager 27 abstützen und aus der Hülse 29, durch eine Hülsenöffnung 36, heraustreten und gegen das Halbleiterbauelement 3 pressen.
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Anstelle des Beutels 23 kann der Kunststoffschaum zusammengepresst in einem – in 2 gestrichelt dargestellten – Netz 37 gehalten sein, und nach Aufschneiden des Netzes 37 in dem Zwischenraum 30 federnd expandieren.
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In einer anderen Ausführungsform weist die Halbleiteranordnung 2 keinen Behälter 29 auf. Der Beutel 23 oder das Netz 37 können in dieser Ausführungsform mittels eines Klebstoffs oder Klebeelements an das Gegenlager 27 geklebt sein.
