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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kontaktanordnung sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Kontaktanordnung.
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Beim Betrieb von Einrichtungen und Geräten, insbesondere von elektrischen Geräten, wird oft Wärme freigesetzt, die insbesondere als Verlustwärme stromdurchflossener elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente und insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen auftritt. Auch beim Betrieb chemischer Einrichtungen treten oft Wärmemengen auf, die als Verlustwärme abgeleitet werden müssen.
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Beim Ausbilden von Kontakten zwischen zueinander benachbarten Bauelementen muss neben der Kontaktierung gleichzeitig unterschiedlichen Anforderungen im Hinblick auf gegenseitige elektrische/chemische Isolation einerseits und einem möglichst gewünschten hohen Wärmeleitvermögen andererseits Rechnung getragen werden.
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Nachteilig bei bekannten Kontaktanordnungen ist, dass die notwendige Isolation, sei diese elektrisch oder chemisch, im Vergleich das geringste Wärmeleitvermögen mit sich bringt. Daher sollen Kontaktstrukturen möglichst dünn gehalten werden, um den elektrischen und/oder thermischen Transport zwischen benachbarten Kontaktelementen über die ausgebildete Kontaktstruktur möglichst wenig zu stören.
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Bekannte Verfahren des Ausbildens einer Kontaktanordnung sind zum einen vergleichsweise aufwendig, z. B. wenn Schichtstärken der auszubildenden Kontaktstruktur möglichst gering gehalten werden sollen. Oder sie sind gar nicht in der Lage, eine geringe Schichtstärke der aufgebrachten Kontaktstruktur zu gewährleisten.
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Die Druckschrift
JP 2003-174114 A beschreibt die Herstellung eines Halbleiterschaltkreises mit einer besonders stabilen Anbringung eines Halbleiterchips ohne dessen Beschädigung.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 034 491 A1 offenbart ein Modul mit elektronischen Bauelementen zwischen zwei DCB-Substraten mit entsprechender Kontaktierung.
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Die Druckschrift
US 2010/0102422 A1 beschreibt eine Halbleitereinrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei ein Maskenmaterial mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf einer Oberfläche der Halbleitereinrichtung aufgebracht wird, um das Ausbilden einer gemäß der Maske zu strukturierenden Schicht zu unterstützen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Kontaktanordnung und eine Kontaktanordnung als solche zu schaffen, bei welchen bei geringer Schichtstärke und mit geringem prozesstechnischen Aufwand ein guter thermischer und/oder elektrischer Kontakt zwischen zu kontaktierenden Kontaktelementen ausbildbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Kontaktanordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie mit einer Kontaktanordnung erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit einem besonders geringen Aufwand eine Kontaktanordnung hergestellt werden kann, bei welcher bei geringer Schichtstärke und mit geringem prozesstechnischem Aufwand ein guter thermischer und/oder elektrischer Kontakt zwischen zu kontaktierenden Kontaktelementen ausbildbar ist. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass Verfahren zum Herstellen einer Kontaktanordnung geschaffen wird mit den Schritten (a) Bereitstellen eines ersten Kontaktelementes mit einer ersten Kontaktfläche und eines zweiten Kontaktelementes mit einer zweiten Kontaktfläche und (b) Ausbilden einer Kontaktstruktur mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche und in mechanischem Kontakt mit diesen, bei welchem Oberflächenformen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche ermittelt werden und die Kontaktstruktur derart auf der Grundlage der ermittelten Oberflächenformen ausgebildet wird, dass (i) sie mit der ersten Seite eine der ersten und zweiten Kontaktflächen bedeckt und (ii) ihre zweite Seite konform zur anderen der ersten und zweiten Kontaktflächen ist.
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Dabei werden die Oberflächenformen der ersten und zweiten Kontaktflächen erfindungsgemäß mit einem bildgebenden Verfahren ermittelt. Die Kontaktstruktur wird erfindungsgemäß mit einem additiven Verfahren ausgebildet.
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Durch das Ermitteln der Oberflächenformen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche können sämtliche Informationen beim Ausbilden der Kontaktstruktur verwendet werden, die ein optimales Kontaktieren der ersten und zweiten Kontaktflächen ohne übermäßigen Materialauftrag gewährleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen insofern vereinfacht, als erfindungsgemäß nur einer der zu kontaktierenden Partner mit einer Ausgleichsschicht versehen wird, welche gerade auf der vom ersten zu kontaktierenden Partner abgewandten Seite die Form des zweiten zu kontaktierenden Partners besitzt.
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Es handelt sich erfindungsgemäß dem Kern nach unter anderem um eine Form geometrischer Anpassung der zu kontaktierenden Kontaktelemente mit dem Ziel eines möglichst geringen Materialauftrags für eine Ausgleichsschicht und eine gegebenenfalls noch vorzusehende Zwischenschicht. Letztlich wird nur einer der beiden Kontaktpartner, also eines der beiden Kontaktelemente bearbeitet. Im Gegensatz zum herkömmlichen Vorgehen ergibt sich als weiterer Vorteil, dass im Allgemeinen weniger Ausgleichsmaterial eingesetzt und abgeschieden werden muss, als wenn beide Kontaktpartner mit einer ideal planaren Gestalt ausgebildet werden. Folglich wird Abscheidezeit abgesenkt und Kosten werden eingespart. Erfindungsgemäß handelt es sich also auch um eine Art Anpassung der Formtoleranz eines der Kontaktelemente an die Form des Kontaktpartners, also des anderen Kontaktelementes.
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Die Kontaktierung ist dabei nicht nur im Sinne einer elektrischen Kontaktierung zu verstehen. Es bietet sich die Verbesserung der thermischen Kontaktierung an. Die Erfindung kann daher auch allgemein Kühlstrukturen umfassen, zum Beispiel für die Kühlung eines Chemiereaktors oder dergleichen. Auch ist die Anbindung thermischer Komponenten erfindungsgemäß allgemein leichter realisierbar, zum Beispiel die Anbindung einer Kühlschlange an ein Gehäuse oder die Ankopplung eines Heizelements an eine zu heizende Komponente.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Oberflächenformen der ersten und zweiten Kontaktflächen mit bildgebenden Verfahren ermittelt, vorzugsweise nach Art eines dreidimensionalen Abtastens oder Scannens. Dies kann insbesondere visuell geschehen, also mit Licht im sichtbaren Bereich. Es sind jedoch auch Analysen mit Strahlung im infraroten, ultravioletten oder nahen Röntgenbereich denkbar. Die bildgebenden Analyseverfahren bieten ein besonders hohes Maß an Genauigkeit bei der Untersuchung der Oberflächenform der ersten und zweiten Kontaktflächen.
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Denkbar ist auch die Verwendung eines 3D-Fotoverfahrens mit anschließender Bildverarbeitung. Ein derartiges Fotoverfahren hat gegenüber dem Scannen den Vorteil, dass die gesamte Fläche auf einmal aufgenommen, während Scannen mehr Zeit benötigt.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Oberflächenformen einer der ersten und zweiten Kontaktflächen mit einer Schicht eines Ausgleichsmaterials als einer Komponente der Kontaktstruktur – vorzugsweise auffüllend – bedeckt. Mit diesem Vorgehen wird ein besonders geringer Materialeinsatz beim Ausbilden der Ausgleichsschicht möglich, da zum Beispiel konkave Oberflächenformen einfach mit dem Ausgleichsmaterial aufgefüllt werden, insbesondere bis die Fläche des ersten Kontaktelementes als erste Kontaktfläche in Zusammenwirken mit dem Ausgleichsmaterial lokal parallel, also insgesamt konform ausgebildet ist zur zweiten Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements.
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Vorteilhafterweise wird das Bedecken mit dem Ausgleichsmaterial auf der Grundlage der ermittelten Oberflächenformen so gesteuert, dass die Seite des Ausgleichsmaterials, die der einen der ersten und zweiten Kontaktflächen abgewandt ist, konform ist zu der anderen der ersten und zweiten Kontaktflächen.
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Ein besonders hohes Maß an Genauigkeit ergibt sich, wenn beim Bedecken mit dem Ausgleichsmaterial das Ausgleichsmaterial mit einem ADM-Verfahren, einem 3D-ADM-Verfahren, einem Jetverfahren, einem Tauchverfahren und/oder einem Rakelverfahren oder deren Kombination aufgebracht wird.
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Es sind jedoch auch sämtliche weitere Beschichtungsverfahren, gegebenenfalls nach Anpassung an die jeweiligen geometrischen Gegebenheiten, anwendbar.
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Zum Realisieren eines thermischen und/oder elektrischen Kontaktes ist es vorgesehen, dass das Ausgleichsmaterial ein thermisch und/oder elektrisch leitfähiges Material ist oder aufweist, insbesondere mit oder aus einem Metall, einem leitfähige Partikel aufweisenden thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff, einer leitfähige Partikel aufweisenden Flüssigkeit oder deren Kombination.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn eine einzelne Materialschicht, nämlich die Ausgleichsschicht mit oder aus dem Ausgleichsmaterial, verwendet wird, um erfindungsgemäß eine Kontaktanordnung mit ersten und zweiten Kontaktelementen und einer Kontaktstruktur dazwischen auszubilden. Von besonderem Vorteil kann jedoch die Verwendung einer Kontaktstruktur mit einer Mehrzahl von Schichten sein. So ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zwischen dem Ausgleichsmaterial und der anderen der ersten und zweiten Kontaktflächen eine konforme Schicht eines Wärmeleitmaterials als zweite Komponente der Kontaktstruktur ausgebildet wird.
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Grundsätzlich ist der Einsatz auch von mehr als zwei Komponenten zum Ausbilden der Kontaktstruktur denkbar.
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Die Kontaktanordnung kann in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden. So ist es denkbar, dass als erstes und/oder zweites Kontaktelement ein oder mehrere Komponenten aus der Gruppe verwendet werden, die aufweist einen Schaltungsträger mit ein oder mehreren diskreten oder integrierten elektrische Bauelementen, ein Bauelement mit thermischer Verlustleistung, eine Leistungsendstufe und ein Kühlelement.
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Auch der Einsatzbereich der chemischen Verfahrenstechnik, zum Beispiel im Zusammenhang mit der thermischen Ver- und Entsorgung eines Chemiereaktors, ist vorteilhaft.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, wird die Kontaktanordnung ausgebildet, einen thermischen und/oder einen elektrischen Kontakt zur Übertragung elektrischer bzw. thermischer Leistung zwischen den ersten und zweiten Kontaktelementen zu bewirken.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Kontaktanordnung mit einem ersten Kontaktelement mit einer ersten Kontaktfläche, einem zweiten Kontaktelement mit einer zweiten Kontaktfläche und einer Kontaktstruktur mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche und in mechanischem Kontakt mit diesen, bei welchem (i) die Kontaktstruktur mit der ersten Seite eine der ersten und zweiten Kontaktflächen bedeckt und (ii) die Kontaktstruktur mit der zweiten Seite zur anderen der ersten und zweiten Kontaktflächen konform ist und welche mit oder nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 bis 3 sind schematische und geschnittene Seitenansichten, welche verschiedene Zwischenzustände zeigen, die bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kontaktanordnung erreicht werden.
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4 bis 6 sind schematische und geschnittene Seitenansichten, welche verschiedene Zwischenzustände zeigen, die bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kontaktanordnung erreicht werden.
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7 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung.
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8 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung.
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9 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Anordnung, welche beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen von Oberflächenformen eingesetzt werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Die 1 bis 3 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht Zwischenstufen, die bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kontaktanordnung 100 erreicht werden.
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In einem ersten Schritt werden zunächst ein erstes Kontaktelement 1 und ein zweites Kontaktelement 5 bereitgestellt. Das erste Kontaktelement 1 wird von einem Material 1-3 gebildet und weist eine Unterseite auf, die als eine erste Kontaktfläche 1-1 fungiert. Der Unterseite liegt die Oberseite 1-2 des ersten Kontaktelementes 1 gegenüber und kann Komponenten einer übergeordneten Einrichtung oder Vorrichtung aufweisen, zum Beispiel elektronische Bauteile oder dergleichen.
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Das zweite Kontaktelement 5 wird von einem Material 5-3 gebildet und besitzt eine Unterseite 5-1 sowie eine der Unterseite 5-1 gegenüberliegende Oberseite, die als zweite Kontaktfläche 5-2 fungiert.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines besonders einfachen und zuverlässigen Verfahrens, mit welchem ein Kontakt zwischen den ersten und zweiten Kontaktflächen 1-1 und 5-2 unter Verwendung einer Kontaktstruktur 10 ausgebildet werden kann.
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In einem in der Figurenfolge nicht dargestellten Zwischenschritt werden Oberflächenformen der ersten und zweiten Kontaktflächen 1-1 und 5-2 ermittelt. Dies wird im Zusammenhang mit 9 später im Detail erörtert.
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Im Übergang zu dem in 2 gezeigten Zwischenstadium wird auf der Grundlage der ermittelten Oberflächenformen der ersten und zweiten Kontaktflächen 1-1 und 5-2 eine Schicht 6 eines Ausgleichsmaterials 6-3 so auf der zweiten Kontaktfläche 5-2, welche durch die Oberseite des zweiten Kontaktelementes 5 gebildet wird, ausgebildet, dass die Oberseite und mithin die zweite Kontaktfläche 5-2 vom Ausgleichsmaterial 6-3 vollständig oder teilweise bedeckt ist, indem nämlich die Unterseite 6-2 des Ausgleichsmateriales 6-3 auf der zweiten Kontaktfläche 5-2 aufliegt.
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Es kann in manchen Anwendungen ausreichen, die Täler aufzufüllen.
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Zusätzlich wird die Schicht 6 des Ausgleichsmateriales 6-3 erfindungsgemäß so ausgebildet, dass die der Unterseite 6-2 gegenüberliegende Oberseite 6-1 des Ausgleichsmateriales 6-3 konform ist zur Unterseite des ersten Kontaktelementes 1 und mithin zur ersten Kontaktfläche 1-1.
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Im Übergang zu dem in 3 gezeigten Zwischenzustand wird das erste Kontaktelement 1 an die Anordnung aus zweitem Kontaktelement 5 und der Schicht 6 des Ausgleichsmateriales 6-3 angenähert, indem zum Beispiel das erste Kontaktelement 1 in entgegen der z-Richtung auf das zweite in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene ausgerichtete zweite Kontaktelement 5 mit der Schicht 6 darauf zubewegt, mit der Oberseite 6-2 der Schicht 6 des Ausgleichsmateriales 6-3 in Kontakt gebracht und mit dieser insbesondere befestigt wird.
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Zu bemerken ist, dass bei dem Verfahren gemäß der Abfolge der 1 bis 3 die Rollen des ersten und des zweiten Kontaktelementes 1 und 5 ausgetauscht sein können. Das bedeutet, dass die Schicht 6 des Ausgleichsmateriales 6-3 auch am ersten Kontaktelement 1 und dessen Unterseite als erster Kontaktfläche 1-1 angebracht werden kann, um dann die Annäherung und Komplettierung mit dem zweiten Kontaktelement 5 zu bewirken.
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Auch kann die Schichtstärke des Ausgleichsmateriales 6-3 der Schicht 6 weiter abgesenkt werden, so dass sich eine minimale Schichtstärke ergibt, die aber noch gewährleistet, dass die Oberflächenform des bedeckten Kontaktelementes 5 und mithin die Oberseite 6-2 im Zusammenwirken mit der zweiten Kontaktfläche 5-2 formangepasst ist an die und insbesondere konform ist zu der Unterseite des ersten Kontaktelementes 1 und mithin zur ersten Kontaktfläche 1-1.
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Es kann also vorgesehen sein, dass die Schichtstärke des Materiales 6-3 soweit abgesenkt wird, dass der Bereich 5-5 mit der Oberseite 6-1 des Vergleichsmateriales 6-3 abschließt; dies ist in 2 durch den strichpunktierten Verlauf angedeutet. Das heißt, die Schichtstärke des Materiales 6-3 kann lokal den Wert Null annehmen.
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Die 4 bis 6 zeigen eine Abfolge von Zwischenzuständen, wie sie bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kontaktanordnung 100 erreicht werden.
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Im Unterschied zum Verfahren gemäß der Abfolge der 1 bis 3, bei welchem die eigentliche Kontaktstruktur 10 aus einer einzelnen Schicht 6 eines Ausgleichsmaterials 6-3 gebildet wird, ist die Kontaktstruktur 10 bei dem Herstellungsverfahren gemäß den 4 bis 6 mehrschichtig ausgebildet.
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Die Kontaktstruktur 10 beim Herstellungsverfahren gemäß den 4 bis 6 besitzt eine zunächst ausgebildete Ausgleichsschicht 6 aus einem Ausgleichsmaterial 6-3 mit einer Unterseite 6-2, welche auf der zweiten Kontaktfläche 5-2 aufliegt und diese bedeckt, und einer Oberseite 6-1, welche der zweiten Kontaktfläche 5-2, also der Oberseite des zweiten Kontaktelementes 5 abgewandt und somit der ersten Kontaktfläche 1-1 und mithin der Unterseite des ersten Kontaktelementes 1 zugewandt ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 bildet die Oberseite 6-1 der Ausgleichsschicht 6 aus dem Ausgleichsmaterial 6-3 gleichzeitig auch die erste Kontaktseite 10-1 der Kontaktstruktur 10. Entsprechend bildet die Unterseite 6-2 der Schicht 6 des Ausgleichsmateriales 6-3 gleichzeitig die zweite Kontaktseite 10-2 der Kontaktstruktur 10.
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Bei der Ausführungsform gemäß der Abfolge der 4 bis 6 bildet zwar die Unterseite 6-2 der Schicht 6 des Ausgleichsmaterials 6-3 gleichzeitig noch die zweite Kontaktseite 10-2 der Kontaktstruktur 10. Jedoch ist nun die Oberseite 6-1 des Materiales 6-3 vollständig bedeckt von einem Wärmeleitmaterial 4-3. Dieses Wärmeleitmaterial 4-3 bildet eine – insbesondere konforme – Wärmeleitschicht 4 mit einer Unterseite 4-2, welche auf der Oberseite 6-1 des Materiales 6-3 der Ausgleichsschicht 6 aufliegt, und mit einer Oberseite 4-1, die ihrerseits identisch ist mit der ersten Kontaktseite 10-1 der Kontaktstruktur 10 und somit gemäß 6 konform ist zu der ersten Kontaktfläche 1-1, also der Unterseite des ersten Kontaktelementes 1, und mit dieser in Kontakt steht.
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Bei dem Verfahren gemäß der Abfolge der 4 bis 6 wird die Kontaktstruktur 10 mit den ersten und zweiten Kontaktseiten 10-1 beziehungsweise 10-2 durch zwei Schichten gebildet. Dies ist nicht zwingend. Auch ist die Ausgestaltung mit mehr als zwei Schichten in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung denkbar und kann Vorteile bieten.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung 100. Bei dieser handelt es sich um eine Struktur, wie sie in etwa gemäß der Ausführungsform des Herstellungsverfahrens mit den Zwischenschritten gemäß den 4 bis 6 entsteht.
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Im Unterschied zu der Kontaktanordnung 100 gemäß 6 ist bei der Ausführungsform gemäß 7 die Kontaktanordnung 100 mit einem unregelmäßig geformten und insbesondere insgesamt gewölbten Kontaktelement 1 versehen, an dessen Oberseite 1-2, welche der ersten Kontaktfläche 1-1 gegenüberliegt, verschiedene elektronische Bauelemente angeordnet und kontaktiert sind, insbesondere ein aktives Bauelement 2, zum Beispiel ein Logik IC, sowie ein passives Bauelement 3. Die hier auf der Unterseite, also der ersten Kontaktfläche 1-1 vorliegende konkave Krümmung wird durch die Struktur des Materiales 1-3 des ersten Kontaktelementes 1 und/oder durch das Aufbringen der Bauelemente 2, 3 verursacht und kann durch das Ausbilden der Kontaktstruktur 10 mit den Schichten 4 und 6 zusammen mit einer Krümmung und/oder Welligkeit der zweiten Kontaktfläche 5-2, also der Oberseite des zweiten Kontaktelementes 5 aus dem Material 5-3 auf einfache Art und Weise erfindungsgemäß ausgeglichen werden.
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Das Entscheidende ist nicht, dass das Element gleichmäßig oder ungleichmäßig gewölbt ist, sondern dass die Kontaktfläche 1-1 bzw. 10-1 eine unregelmäßige Form haben kann, die gemäß 9 vermessen werden kann. Auf Grund von Unterschieden im Temperaturausdehnungskoeffizienten kann es eine Vorzugsrichtung bei der Verformung geben, die sich in einer Wölbung manifestiert und sich lokalen Erhebungen überlagert. Das ist aber nicht zwingend.
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8 zeigt eine zur 7 äquivalente Anordnung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung 100, bei welcher auf der Oberseite 1-2 des ersten Kontaktelementes 1 als Bauelement eine Leistungsendstufe 7 ausgebildet ist.
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9 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Messanordnung 8, wie sie bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kontaktanordnung 100 verwendet werden kann, um Oberflächenformen der ersten und zweiten Kontaktflächen 1-1 und 5-2 zu bestimmen.
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Oberhalb einer zweiten Kontaktfläche 5-2, nämlich der Oberseite des Materiales 5-3 eines zweiten Kontaktelementes 5 ist die Messanordnung 8 mit einer Kameraeinheit 8-1 und einer Belichtungseinheit 8-2 angeordnet. Über Mess-/Steuerleitungen 8-4 und 8-5 sind die Kameraeinheit 8-1 und die Belichtungseinheit 8-2 mit einer Steuereinheit 8-3 funktional verbunden. Die Steuereinheit 8-3 veranlasst einerseits eine Belichtung der Oberseite, also der zweiten Kontaktfläche 5-2 des zweiten Kontaktelementes 5 mit Messlicht 8-6, zum Beispiel in Form eines einzelnen Laserstrahls.
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Bei der Messanordnung 8 kann es sich aber auch um eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Kameras handeln, die ausgebildet ist, eine 3D-Fotoaufnahme der zweiten Kontaktfläche 5-2 des zweiten Kontaktelementes 5 anzufertigen.
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An der Oberfläche der zweiten Kontaktfläche 5-2 wird das Messlicht 8-6 an einem Wechselwirkungsort- oder -punkt 5-6 reflektiert und/oder gestreut und erreicht als reflektiertes oder gestreutes Licht 8-7 das Objektiv der Kameraeinheit 8-1. Die Kameraeinheit 8-1 erzeugt aus dem empfangenen reflektierten und/oder gestreuten Licht 8-7 ein elektrisches Signal, welches über die Mess-/Steuerleitung 8-5 an die Steuereinheit 8-3 zur Auswertung weitergeleitet wird.
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Aus der Gesamtheit sämtlicher von der Kameraeinheit 8-1 generierter und weitergeleiteter Signale kann in der Steuereinheit 8-6 auf Oberflächenformen der zweiten Kontaktfläche 5-2 geschlossen werden. Diese Information wird genutzt, um das Ausgleichsmaterial 6-2 und insbesondere die Unterseite 6-2 der Schicht 6 des Ausgleichsmateriales 6-3 entsprechend den Oberflächenformen der zweiten Kontaktfläche 5-2 zu strukturieren.
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Ein analoges Vorgehen dieser oder einer entsprechenden Messanordnung 8 wird verwendet, um die Unterseite und mithin die erste Kontaktfläche 1-1 des ersten Kontaktelementes 1 hinsichtlich seiner Oberflächenformen zu charakterisieren, sei dies durch Scannen oder durch eine weitere 3D-Fotoaufnahme.
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Anschließend wird aus der Differenz der Oberflächendaten der Kontaktflächen 1-1 und 5-2 je Punkt mit Koordinaten x, y die erforderliche Höhe z berechnet, die die Ausgleichsschicht 6 an diesem Punkt x, y benötigt zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Oberfläche 6-1.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Herausforderungen durch die zunehmende Leistungsdichte in elektrischen und elektronischen Schaltungen und die damit notwendige Ableitung der Verlustwärme zu meistern.
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In der Wärmeableitung hat meist das elektrisch isolierende Wärmeleitmedium relativ die schlechteste Wärmeleitfähigkeit und sollte deshalb möglichst dünn sein. Andererseits muss es die beiden zu verbindenden Flächen vollständig benetzten, denn Lufteinschlüsse führen zu einer extremen Verschlechterung der Wärmeleitung.
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Lösungsvorschläge von denen die Erfinder ausgehen sind folgende:
- (a) Man bindet den Schaltungsträger bzw. die Leistungsendstufe mit einer Wärmeleitpaste oder einem Wärmeleitkleber an einen Kühlkörper an. Um schädliche Lufteinschlüsse zu vermeiden, bringt man das Wärmeleitmedium in Überschuss auf. Dies hat den Nachteil, dass aufgrund der mechanischen Toleranzen von Kühlkörper und Schaltungsträger die Schicht lokal dick sein kann und man in der thermischen Simulation diesen schlechtesten Fall annehmen muss.
- (b) Man bindet den Schaltungsträger mit einer Wärmeleitfolie an einen Kühlkörper an. Wie beim Vorgehen nach (a) muss die Folie so dick und gleichzeitig so elastisch sein, dass sie alle möglichen mechanischen Toleranzen überbrücken kann.
- (c) Im Verfahren nach (a) drückt man den Schaltungsträger während des Fertigungsprozesses mittels geeigneter Niederhalter in die Form des Kühlkörpers. Dies hat den Nachteil, dass man auf dem Schaltungsträger Freizonen für die Niederhalter vorsehen muss, d. h. die Bestückungsdichte nimmt ab. Außerdem muss man durch geeignete Maßnahmen verhindern, dass der Schaltungsträger über Betriebsdauer zurückfedert.
- (d) Man arbeitet den Kühlkörper und/oder die Leistungsendstufe mechanisch nach – z. B. Fräsen, Schleifen, Honen – um die Ebenheit zu verbessern. Problem dabei ist, dass durch die mechanische Nacharbeit elektrisch leitende Späne entstehen, die zu Kurzschlüssen führen können. Außerdem sind die Materialien von Kühlkörper und Leistungsendstufe meist auf maximale thermische Leitung optimiert und nicht auf mechanische Bearbeitbarkeit mit Problemen wie nicht brechende Späne, Schmieren. Um die geforderte Ebenheit (z. B. 50 μm über 50 mm) zu erzielen, erfolgt die mechanische Bearbeitung fein, was zu einer glatten Oberfläche führt. Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmewiderstands kann aus Gründen der Anhaftung des Wärmeleitklebers und einer möglichst großen Wärmeübergangsfläche zwischen Kühlkörper und Wärmeleitmedium eine zu glatte Oberfläche wieder aufgeraut werden, z. B. durch Laserstrukturieren.
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Die Erfindung betrifft somit insbesondere auch Verfahren zur Herstellung einer Toleranzausgleichsschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit und optimierter Grenzschicht.
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Es ergibt sich erfindungsgemäß eine Verbesserung der Wärmeableitung im Gesamtaufbau von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke und ohne mechanische Nacharbeit und ohne Flächen verbrauchende Niederhalter.
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Ein Schaltungsträger 1 in beliebiger Ausführung, z. B. als PCB, LTCC, wird gewöhnlich bestückt mit aktiven Bauelementen 2, z. B. einem Logik IC, und/oder mit passiven Bauelementen 3, z. B. einem Kondensator, und hat in diesem Zustand normalerweise eine Verwölbung, die bei großen Schaltungsträgern bis in den Bereich von Millimetern gehen kann. Ebenso hat der Kühlkörper nach preisgünstigen Fertigungsverfahren wie z. B. Druckguss oder Ausstanzen eine wellige Oberfläche.
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Erfindungsgemäß werden in diesem Zustand sowohl die Welligkeit der Unterseite des Schaltungsträgers 1 als erste Kontaktfläche 1-1 als auch die der Oberseite des Kühlkörpers als zweiter Kontaktfläche 5-2 des zweiten Kontaktelementes 5 mit Kameras 8 vermessen, z. B. durch einen 3D-Scan. Daraus wird mittels Computer berechnet, welche Form eine Ausgleichsschicht 6 haben muss, so dass diese Flächen parallel und insbesondere konform sind. Zwischen diesen parallelen oder konformen Flächen kann dann in einem üblichen Verfahren eine gleichmäßig dünne Schicht 4 eines Wärmeleitmediums 4-3 eingebracht werden.
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Erfindungsgemäß wird die Ausgleichsschicht 6 durch ein 3D-ADM (3D-ADM = Three Dimensional Additive Manufacturing) aus einem thermisch gut leitfähigen Material hergestellt, das auch elektrisch leitfähig sein kann. Zur Aufbringung des Materials eignet sich bevorzugt ein Jetverfahren. Das verwendete Material ist dabei bevorzugt ein Metall, ein mit leitfähigen Partikeln versehener thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff oder eine mit Metallpartikeln versehene Flüssigkeit. Die z. B. von einem Druckkopf ausgestoßenen Partikel treffen an der vorher berechneten Stelle auf dem Kühlkörper als zweitem Kontaktelement 5 auf, gehen mit diesem eine Verbindung ein und bauen in einzelnen Schichten die thermisch gut leitfähige Ausgleichsschicht auf.
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Bei weitgehend ebenen Oberflächen eignen sich auch Rakel- oder Eintauchverfahren mit Lasersintern oder einer anderen Methode zur Verfestigung des aufgebrachten Materials.
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Durch den schichtweisen Aufbau können beliebige geometrische Ausgleichsformen realisiert werden. Durch das punktuelle Aufbringen oder Verfestigen können fast beliebige Oberflächenstrukturen und Rautiefen während des ADM realisiert werden, so dass eine weitere Nacharbeit nach (d) entfällt.
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Statt eines Schaltungsträgers als erstem Kontaktelement 1 mit diskreten Bauelementen kann das Verfahren auch für eine Leistungsendstufe 7 oder andere Bauteile mit hoher Verlustleistung, z. B. für einen Chemiereaktor, verwendet werden.
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Insbesondere interessant ist die Verwendung bei großen Endstufen, wie sie für die Ansteuerung von großen Elektromotoren, z. B. bei Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen.
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Alternativ oder zusätzlich zu oben erwähntem Druck auf den Kühlkörper kann die Ausgleichsschicht auch auf dem Substrat oder der Leistungsendstufe aufgebracht werden.
