DE102017113094A1 - Verfahren zum selbstjustierten Bestücken eines Anschlussträgers mit einem Bauteil, Vorrichtung und optoelektronisches Bauteil - Google Patents
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- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29105—Gallium [Ga] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
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- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29109—Indium [In] as principal constituent
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- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29144—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29147—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/32238—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bonding area protruding from the surface of the item
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/81001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector involving a temporary auxiliary member not forming part of the bonding apparatus
- H01L2224/81002—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector involving a temporary auxiliary member not forming part of the bonding apparatus being a removable or sacrificial coating
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/81007—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector involving a permanent auxiliary member being left in the finished device, e.g. aids for holding or protecting the bump connector during or after the bonding process
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- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/811—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector the bump connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/8112—Aligning
- H01L2224/81143—Passive alignment, i.e. self alignment, e.g. using surface energy, chemical reactions, thermal equilibrium
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/8119—Arrangement of the bump connectors prior to mounting
- H01L2224/81191—Arrangement of the bump connectors prior to mounting wherein the bump connectors are disposed only on the semiconductor or solid-state body
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
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Abstract
Das Verfahren umfasst einen Schritt A), in dem ein Anschlussträger (1) bereitgestellt wird, der an einer Oberseite (13) eine Einfangstruktur (10) sowie ein oder mehrere neben der Einfangstruktur (10) angeordnete Anschlusselemente (11, 12) aufweist. In einem Schritt B) wird ein Bauteil (2) bereitgestellt, das an einer Montageseite (23) eine Ausrichtstruktur (20) sowie ein oder mehrere neben der Ausrichtstruktur (20) angeordnete Kontaktelemente (21, 22) aufweist. In einem Schritt C) wird das Bauteil (2) mit dem Anschlussträger (1) über eine Benetzungsflüssigkeit (3) verbunden, wobei die Einfangstruktur (10) und die Ausrichtstruktur (20) von der Benetzungsflüssigkeit (3) benetzt werden und das Bauteil (2) automatisch ausgerichtet wird. Dabei weisen der Anschlussträger und das Bauteil im Bereich der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur eine höhere Benetzbarkeit mit der Benetzungsflüssigkeit auf als im Bereich der daneben angeordneten Anschlusselemente und Kontaktelemente. Die Anordnung der Kontaktelemente und die Anordnung der Anschlusselemente sind dabei derart gewählt, dass nach der automatischen Ausrichtung des Bauteils die Kontaktelemente gegenüber passenden Anschlusselementen liegen.
Description
- Es wird ein Verfahren zum selbstjustierten Bestücken eines Anschlussträgers mit einem Bauteil angegeben. Darüber hinaus wird eine Vorrichtung angegeben, die mittels dieses Verfahrens hergestellt werden kann. Ferner wird ein optoelektronisches Bauteil angegeben.
- Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein zuverlässiges Verfahren zum selbstjustierten Bestücken eines Anschlussträgers mit einem Bauteil anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, die mittels dieses Verfahrens hergestellt werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauteil für ein solches Verfahren anzugeben.
- Diese Aufgaben werden unter anderem durch das Verfahren und die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum selbstjustierten Bestücken eines Anschlussträgers mit einem Bauteil einen Schritt A), in dem ein Anschlussträger bereitgestellt wird. Der Anschlussträger weist eine Oberseite auf. An der Oberseite weist der Anschlussträger eine Einfangstruktur zum Einfangen des Bauteils sowie eine oder mehrere neben der Einfangstruktur angeordnete Anschlusselemente zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils auf.
- Die Einfangstruktur liegt bevorzugt an der Oberseite des Anschlussträgers zunächst frei. Die Einfangstruktur kann beispielsweise eine Beschichtung auf der Oberseite des Anschlussträgers sein. Das eine oder die mehreren Anschlusselemente neben der Einfangstruktur können an der Oberseite zunächst frei liegen oder können von einer Materialschicht bedeckt sein. Über die Anschlusselemente des Anschlussträgers werden im bestimmungsgemäßen Betrieb Ladungsträger in das Bauteil injiziert. Die Anschlusselemente sind bevorzugt aus Metall gebildet.
- Ein oder mehrere Anschlusselemente sind neben der Einfangstruktur angeordnet. Darunter wird vorliegend verstanden, dass diese Anschlusselemente lateral, in Richtung parallel zur Oberseite, neben der Einfangstruktur angeordnet sind. Diese Anschlusselemente sind bevorzugt beabstandet von der Einfangstruktur angeordnet. Insbesondere sind diese Anschlusselemente von der Einfangstruktur elektrisch isoliert, zum Beispiel durch einen isolierenden Zwischenraum.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt B), in dem ein Bauteil bereitgestellt wird. Das Bauteil umfasst eine Montageseite. An der Montageseite weist das Bauteil eine Ausrichtstruktur sowie ein oder mehrere neben der Ausrichtstruktur angeordnete Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung mit den Anschlusselementen des Anschlussträgers auf.
- Bei dem Bauteil handelt es sich insbesondere um ein oberflächenmontierbares Bauteil, bei dem alle zur Kontaktierung notwendigen Kontaktelemente an einer einzigen Seite, nämlich der Montageseite, angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem Bauteil um einen Halbleiterchip. Das Bauteil kann ein optoelektronisches Bauteil, wie ein optoelektronischer Halbleiterchip, insbesondere ein LED-Chip, sein.
- Die Ausrichtstruktur liegt bevorzugt an der Montageseite des Bauteils zunächst frei. Die Ausrichtstruktur kann beispielsweise eine Beschichtung auf der Montageseite des Bauteils sein. Das eine oder die mehreren neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelemente können zunächst frei liegen oder von einer Materialschicht überdeckt sein. Über die Kontaktelemente des Bauteils an der Montageseite werden im bestimmungsgemäßen Betrieb Ladungsträger in das Bauteil aufgenommen oder aus dem Bauteil herausgeführt. Die Kontaktelemente sind bevorzugt aus Metall gebildet.
- Ein oder mehrere Kontaktelemente sind neben der Ausrichtstruktur angeordnet. Das heißt, diese Kontaktelemente sind lateral, in Richtung parallel zur Montageseite, neben der Ausrichtstruktur angeordnet. Bevorzugt sind diese Kontaktelemente von der Ausrichtstruktur beabstandet angeordnet. Insbesondere sind diese Kontaktelemente von der Ausrichtstruktur elektrisch isoliert, zum Beispiel durch einen isolierenden Zwischenraum.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt C), in dem das Bauteil mit dem Anschlussträger über eine Benetzungsflüssigkeit verbunden wird. Dabei werden die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur von der Benetzungsflüssigkeit benetzt. Die Minimierung der Oberflächenenergie und Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit wird dabei zur Fixierung und automatischen Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger ausgenutzt.
- Das Fixieren und Ausrichten eines Bauteils durch das Ausnutzen der Minimierung der Oberflächen- und Grenzflächenenergie einer Benetzungsflüssigkeit ist dem Fachmann bekannt. Insbesondere erfolgt die Ausrichtung dabei nur durch die Benetzungsflüssigkeit. Externe Kräfte werden für die Ausrichtung nicht eingesetzt.
- Nach dem Aufbringen des Bauteils ist die Montageseite des Bauteils der Oberseite des Anschlussträgers zugewandt und die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur sind mit der Benetzungsflüssigkeit in direktem Kontakt. Durch die Benetzungsflüssigkeit sind die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur voneinander beabstandet. Ferner fixiert, das heißt befestigt zumindest vorübergehend, die Benetzungsflüssigkeit das Bauteil auf dem Anschlussträger.
- Bevorzugt werden die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur im Schritt C) vollständig von der Benetzungsflüssigkeit benetzt. Insbesondere sind also die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur durch an der Oberseite und der Montageseite vor der Benetzung freiliegende, gleichmäßig mit der Benetzungsflüssigkeit benetzbare Flächen gebildet.
- Die Benetzung der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur kommt daher, dass die Grenzflächenenergie zwischen der Einfangstruktur und der Benetzungsflüssigkeit sowie die Grenzflächenenergie zwischen der Ausrichtstruktur und der Benetzungsflüssigkeit kleiner als die Oberflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit ist. Dies kann durch die Wahl der Materialien der Einfangstruktur, der Ausrichtstruktur und der Benetzungsflüssigkeit erreicht werden.
- Beispielsweise wird im Schritt C) zunächst ein Benetzungsmaterial auf der Einfangstruktur ausgebildet. Das Benetzungsmaterial kann zunächst in einem festen Aggregatzustand auf der Einfangstruktur ausgebildet sein. Anschließend kann durch Erhitzen das Benetzungsmaterial zu der Benetzungsflüssigkeit verflüssigt werden. Daraufhin kann das Bauteil mit der Montageseite voran auf die Benetzungsflüssigkeit aufgelegt oder aufgesetzt werden, wodurch die Benetzungsflüssigkeit die Ausrichtstruktur benetzt und es zur automatischen Fixierung und Ausrichtung des Bauteils kommt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen der Anschlussträger und das Bauteil im Bereich der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur eine höhere oder bessere oder stärkere Benetzbarkeit mit der Benetzungsflüssigkeit auf als im Bereich der daneben angeordneten Anschlusselemente und Kontaktelemente, sodass die automatische Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger durch die geometrischen Formen der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur bestimmt wird.
- Insbesondere sind also die vor der Benetzung an der Oberseite des Anschlussträgers freiliegenden Materialien so gewählt, dass im Bereich aller neben der Einfangstruktur angeordneten Anschlusselemente keine oder eine geringere Benetzbarkeit mit der Benetzungsflüssigkeit gegeben ist als im Bereich der Einfangstruktur. Entsprechend können die an der Montageseite im Schritt B) freiliegenden Materialien so gewählt sein, dass im Bereich aller neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelemente keine oder eine geringere Benetzbarkeit mit der Benetzungsflüssigkeit gegeben ist als im Bereich der Ausrichtstruktur. Bevorzugt sind die Oberseite des Anschlussträgers und/oder die Montageseite des Bauteils im gesamten Bereich außerhalb der Einfangstruktur und/oder der Ausrichtstruktur nicht oder schlechter mit der Benetzungsflüssigkeit benetzbar als im Bereich der Einfangstruktur und/oder der Ausrichtstruktur.
- Unter dem Bereich der Anschlusselemente beziehungsweise der Kontaktelemente wird hier insbesondere die gesamte Fläche verstanden, die bei Projektion oder Draufsicht auf die Oberseite beziehungsweise Montageseite durch die Anschlusselemente beziehungsweise Kontaktelemente gebildet wird.
- Die Grenzflächenenergie an der Grenze zwischen der Benetzungsflüssigkeit und dem Material des Anschlussträgers und/oder Bauteils im Bereich neben der Einfangstruktur und/oder Ausrichtstruktur, insbesondere im Bereich der Anschlusselemente und/oder Kontaktelemente, ist zum Beispiel zumindest fünf Mal oder zehn Mal oder zumindest 50 Mal oder zumindest 100 Mal größer als im Bereich der Einfangstruktur und/oder Ausrichtstruktur. Unter Oberflächenenergie oder Grenzflächenenergie wird vorliegend die Energie verstanden, die umgesetzt werden muss, um die Grenzfläche zwischen der Benetzungsflüssigkeit und einem bestimmten Medium um 1 m2 unter isothermen Bedingungen zu vergrößern.
- Beispielsweise beträgt ein Kontaktwinkel zwischen der Benetzungsflüssigkeit und dem Anschlussträger im Bereich der Einfangstruktur weniger als 90° oder weniger als 80° oder weniger als 60° oder weniger als 45°. Im schlechter benetzbaren Bereich der daneben angeordneten Anschlusselemente ist der Kontaktwinkel zwischen der Benetzungsflüssigkeit und dem Anschlussträger beispielsweise größer als 90°, zum Beispiel größer als 110° oder größer als 135°. Das Gleiche kann für die Kontaktwinkel im Bereich der Ausrichtstruktur und der daneben angeordneten Kontaktelemente gelten.
- Dadurch dass die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur besser mit der Benetzungsflüssigkeit benetzbar sind als die Bereiche der daneben angeordneten Anschlusselemente und Kontaktelemente, wird die automatische Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger stärker durch die geometrischen Formen der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur bestimmt. Je schlechter die Benetzungsflüssigkeit die Anschlusselemente und die Kontaktelemente benetzt, desto stärker ist der Einfluss der geometrischen Formen der Ausrichtstruktur und der Einfangstruktur auf die automatische Ausrichtung. Bevorzugt wird bei dem Verfahren die automatische Ausrichtung ausschließlich oder zumindest überwiegend durch die geometrischen Formen der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur bestimmt. Da die Anschlusselemente und die Kontaktelemente wenig oder gar nicht mit der Benetzungsflüssigkeit benetzbar sind, haben deren geometrischen Formen nur einen geringen oder gar keinen Einfluss auf die Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger.
- Unter den geometrischen Formen der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur werden insbesondere die geometrischen Formen der in Draufsicht auf die Oberseite und Montageseite benetzbaren Flächen der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur verstanden.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die geometrische Form der Ausrichtstruktur derart an die geometrische Form der Einfangstruktur angepasst, dass das Bauteil automatisch in eine vorbestimmte Position und eine vorbestimmte Orientierung bezüglich des Anschlussträgers ausgerichtet wird.
- Die Benetzungsflüssigkeit versucht ihre Oberflächenenergie und ihre Grenzflächenenergie zu minimieren. Da die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur gut benetzbar mit der Benetzungsflüssigkeit sind, versucht die Benetzungsflüssigkeit die Grenzflächen zu dem Bauteil und dem Anschlussträger in diesen Bereichen möglichst groß einzustellen, wohingegen die freiliegenden Außenflächen der Benetzungsflüssigkeit geringer eingestellt werden. Durch eine bestimmte Wahl der geometrischen Form der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur kann daher vorbestimmt werden, wie das Bauteil, also in welcher Position und mit welcher Orientierung, bezüglich des Anschlussträgers ausgerichtet wird. Weisen zum Beispiel die Ausrichtstruktur und die Einfangstruktur gleiche Geometrien auf, so führt die Minimierung der Oberflächen- und Grenzflächenenergie im Allgemeinen dazu, dass die Ausrichtstruktur deckungsgleich zu der Einfangstruktur ausgerichtet wird.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktelemente bezüglich der Ausrichtstruktur und die Anschlusselemente bezüglich der Einfangstruktur derart angeordnet, dass nach der automatischen Ausrichtung des Bauteils die Kontaktelemente gegenüber passenden Anschlusselementen liegen.
- Ein zu einem Kontaktelement passendes Anschlusselement ist dabei ein Anschlusselement, das zur bestimmungsgemäßen Kontaktierung des Kontaktelements eingerichtet ist. Handelt es sich bei dem Kontaktelement zum Beispiel um eine Anode oder eine Kathode, so ist das dazu passende Anschlusselement zum Beispiel eine Elektrode, die Elektronen aus dem Bauteil abführt oder zuführt. Einander gegenüberliegend bedeutet hier und im Folgenden, dass sich in Draufsicht gesehen das Kontaktelement teilweise oder vollständig mit dem dazu passenden Anschlusselement überlappt.
- Nach dem automatischen Ausrichten kann die Benetzungsflüssigkeit zwischen der Ausrichtstruktur und der Einfangstruktur zu einem Benetzungsmaterial ausgehärtet werden, das dann die Einfangstruktur mit der Ausrichtstruktur mechanisch verbindet. Alternativ kann die Benetzungsflüssigkeit aber auch dauerhaft, also auch nach Beendigung des Verfahrens, flüssig bleiben.
- In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum selbstjustierten Bestücken eines Anschlussträgers mit einem Bauteil einen Schritt A), in dem ein Anschlussträger bereitgestellt wird, der an einer Oberseite eine Einfangstruktur zum Einfangen des Bauteils sowie ein oder mehrere neben der Einfangstruktur angeordnete Anschlusselemente zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils aufweist. In einem Schritt B) wird ein Bauteil bereitgestellt, das an einer Montageseite eine Ausrichtstruktur sowie ein oder mehrere neben der Ausrichtstruktur angeordnete Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung mit den Anschlusselementen aufweist. In einem Schritt C) wird das Bauteil mit dem Anschlussträger über eine Benetzungsflüssigkeit verbunden, wobei die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur von der Benetzungsflüssigkeit benetzt werden und die Minimierung der Oberflächenenergie und Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit zur Fixierung und automatischen Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger genutzt wird. Dabei weisen der Anschlussträger und das Bauteil im Bereich der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur eine höhere Benetzbarkeit mit der Benetzungsflüssigkeit auf als im Bereich der daneben angeordneten Anschlusselemente und Kontaktelemente, sodass die automatische Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger durch die geometrischen Formen der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur bestimmt wird. Die geometrische Form der Ausrichtstruktur ist dabei derart an die geometrische Form der Einfangstruktur angepasst, dass das Bauteil automatisch in eine vorbestimmte Position und eine vorbestimmte Orientierung bezüglich des Anschlussträgers ausgerichtet wird. Die Anordnung der Kontaktelemente bezüglich der Ausrichtstruktur und die Anordnung der Anschlusselemente bezüglich der Einfangstruktur sind dabei derart gewählt, dass nach der automatischen Ausrichtung des Bauteils die Kontaktelemente gegenüber passenden Anschlusselementen liegen.
- Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, Bauteile, insbesondere oberflächenmontierbare Halbleiterchips, wie Flip-Chips, in einer rationellen Weise auf einem Anschlussträger zu montieren. Ein Ansatz zum Rationalisieren der Chipmontage versucht viele Chips gleichzeitig zu montieren, indem ein selbsttätiges Bestückungsverfahren gewählt wird. Aussichtsreiche Varianten selbsttätiger Bestückungsverfahren nutzen die Oberflächen- und Grenzflächenspannungen von Flüssigkeiten zum Einfangen und Justieren von Chips. Oberflächenmontierbare Halbleiterchips weisen alle elektrischen Kontaktelemente auf einer einzigen Seite, der Montageseite auf. Auch die mechanischen und thermischen Anschlüsse sind auf der Montageseite angebracht und oft identisch zu den elektrischen Anschlüssen. Auf der Montageseite wechseln sich somit metallische Kontaktflächen mit isolierenden Zwischenräumen ab, weshalb im Allgemeinen auch die Benetzungseigenschaften entlang der Montageseite variieren. Sollen die Chips nun über ein flüssigkeitsgestütztes selbststätiges Montageverfahren auf einem Anschlussträger verteilt und angeschlossen werden, bedingen die heterogenen Benetzungseigenschaften der Montageseite und damit die Reihe lokaler Minima in der Oberflächen- und Grenzflächenenergien ein großes Risiko, die Chips in falscher Registratur oder falscher Orientierung einzufangen.
- Das vorgeschlagene Verfahren soll zu einer zuverlässigeren, weniger fehleranfälligen Ausrichtung der Chips dienen. Insbesondere wird hier ein mehrstufiger Prozess verwendet, in dem die selbsttätige Bestückung, also das automatische Verteilen und Ausrichten der Bauteile auf Bestückungsplätzen, getrennt vom Anschließen der Kontaktelemente beziehungsweise der endgültigen Befestigung der Bauteile erfolgt. Dazu wird eine Ausrichtstruktur am Bauteil verwendet, die ausschließlich oder teilweise zum Einfangen und Ausrichten des Bauteils dient. Diese Ausrichtstruktur braucht keine elektrische Funktion zu haben, soll aber der korrekten Ausrichtung der Kontaktelemente gegenüber den Anschlusselementen auf dem Anschlussträger dienen. Die Kontaktierung zwischen den Kontaktelementen und den Anschlusselementen erfolgt in einem späteren Schritt.
- Die Bereiche der neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelemente und die Bereiche der neben der Einfangstruktur angeordneten Anschlusselemente dienen nicht zum Einfangen und zur Ausrichtung und sind anfänglich schlecht von der Benetzungsflüssigkeit benetzbar. Sie beeinflussen also den Ausrichtprozess der Bauteile auf dem Anschlussträger nicht oder wenig. Die Geometrie der Kontaktelemente und Anschlusselemente spielt somit für die Ausrichtung der Bauteile auf dem Anschlussträger keine oder eine untergeordnete Rolle. Insbesondere weist die Montageseite also nicht viele unterschiedliche Bereiche mit guten und schlechten Benetzungseigenschaften auf. Vielmehr gibt es bevorzugt nur einen zusammenhängenden Bereich, nämlich den Bereich der Ausrichtstruktur, in dem die Benetzungseigenschaften gut sind. In allen anderen Bereichen sind die Benetzungseigenschaften schlechter. Die Gefahr einer falschen Registratur oder Orientierung bei der selbständigen Benetzung ist damit reduziert.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauteil eine einzige, zusammenhängende Ausrichtstruktur auf. In Draufsicht auf die Montageseite bildet die Ausrichtstruktur also eine einzige, zusammenhängende und bevorzugt gleichmäßig benetzbare Fläche. Beispielsweise ist die Fläche der Ausrichtstruktur einfach zusammenhängend. Überall außerhalb dieser Fläche ist die Montageseite bevorzugt schlechter oder nicht benetzbar. Zum Beispiel beträgt der Kontaktwinkel zwischen der Benetzungsflüssigkeit und der Montageseite überall außerhalb der Ausrichtstruktur zumindest 90° oder zumindest 120° oder zumindest 150°. Die Ausrichtstruktur bildet in Draufsicht gesehen zum Beispiel zumindest 10 % oder zumindest 30 % oder zumindest 50 % und/oder höchstens 80 % oder höchstens 60 % der Fläche der Montageseite.
- Durch die Verwendung einer einzigen Ausrichtstruktur für jedes Bauteil ist die Gefahr einer versehentlichen falschen Orientierung oder falschen Registratur weiter reduziert.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden vor dem Schritt C) jedes neben der Ausrichtstruktur angeordnete Kontaktelement und/oder jedes neben der Einfangstruktur angeordnete Anschlusselement mit einer Antibenetzungsschicht bedeckt, um ein Benetzen des Bauteils im Bereich dieser Kontaktelemente und/oder ein Benetzen des Anschlussträgers im Bereich dieser Anschlusselemente zu verhindern.
- Bei der Antibenetzungsschicht kann es sich beispielsweise um eine elektrisch isolierende Schicht handeln. Zum Beispiel ist die Antibenetzungsschicht aus einem organischen Material, wie Photolack, oder aus einem Polymer oder aus einem oxidierten Metall oder aus einem unedlen Metall, wie Titan, oder aus einem anorganischen Material, wie hydrogeniertes Silizium (a-Si:H) oder Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder Zinkoxid. Insbesondere ist die Antibenetzungsschicht so gewählt, dass ein Kontaktwinkel zwischen der Benetzungsflüssigkeit und der Antibenetzungsschicht zumindest 90° oder zumindest 120° oder zumindest 150° beträgt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem Schritt C) die Antibenetzungsschicht wieder von den Kontaktelementen und/oder den Anschlusselementen entfernt. Das Entfernen erfolgt beispielsweise durch Ätzen.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Benetzungsflüssigkeit ein flüssiges Metall. Die üblicherweise hohe Oberflächenenergie von flüssigen Metallen sorgt für eine besonders präzise Ausrichtung der Bauteile auf dem Anschlussträger. Als mögliche Materialien für die Benetzungsflüssigkeit können Metall, zum Beispiel Gallium, Indium, Wismut, Silber, Kupfer, Gold oder Zinn, insbesondere Metalllegierungen aus diesen Metallen, wie Galinstan (GaInSn), GaIn, BiIn, SnAgCu, SnCu, AuSn, verwendet werden.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Benetzungsflüssigkeit im Schritt C) eine Oberflächenenergie von zumindest 150 mJ/m2 oder zumindest 200 mJ/m2 oder zumindest 300 mJ/m2 oder zumindest 400 mJ/m2 auf. Die Oberflächenenergie ist dabei die Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit zu einem gasförmigen Medium, wie Luft. Die Oberflächen- und/oder Grenzflächenenergien werden hier insbesondere für Temperaturen oberhalb, zum Beispiel bei 5 °C oder 10 °C oder 20 °C oberhalb der Schmelztemperatur oder Liquidustemperatur des entsprechenden Materials angegeben.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform haben die Ausrichtstruktur und die Einfangstruktur in Draufsicht, das heißt in Draufsicht auf die Oberseite beziehungsweise Montageseite gesehen, konzentrisch oder kongruente geometrische Formen.
- Konzentrische geometrische Formen sind gleichartige geometrische Formen mit zum Beispiel gleichen Winkeln und gleichen Seitenverhältnissen. Legt man die Schwerpunkte konzentrischer geometrischer Formen aufeinander, so verlaufen die Konturen beider Formen in einem konstanten Abstand zueinander. Kongruente geometrische Formen sind konzentrische geometrische Formen mit gleichen Seitenlängen beziehungsweise gleichen Flächeninhalten. Beispielsweise haben sowohl die Ausrichtstruktur als auch die Einfangstruktur eine quadratische oder rechteckige oder dreieckige oder elliptische oder tropfenartige geometrische Form in Draufsicht gesehen. Nach dem automatischen Ausrichten des Bauteils auf dem Anschlussträger überlappen die Ausrichtstruktur und die Einfangstruktur in Draufsicht gesehen konzentrisch oder deckungsgleich. Insbesondere überdeckt die Einfangstruktur die Ausrichtstruktur in Draufsicht gesehen nach der automatischen Ausrichtung vollständig.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Ausrichtstruktur und die Einfangstruktur konzentrisch geometrische Formen auf, wobei die in Draufsicht gesehene Fläche der Einfangstruktur höchstens 5 % oder höchstens 10 % oder höchstens 20 % größer als die in Draufsicht gesehene Fläche der Ausrichtstruktur ist. Alternativ ist in Draufsicht gesehen die Fläche der Einfangstruktur höchstens 20 % oder höchstens 10 % oder höchstens 5 % kleiner als die in Draufsicht gesehene Fläche der Ausrichtstruktur.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die Einfangstruktur vor dem Schritt C) eine an der Oberseite des Anschlussträgers freiliegende, metallische Fläche. Die Ausrichtstruktur kann ebenfalls eine an der Montageseite des Bauteils freiliegende, metallische Fläche bilden. Beispielsweise ist während des Schritts C) der übrige Bereich der Montageseite durch ein nichtmetallisches Material gebildet.
- Insbesondere bestehen die Einfangstruktur und/oder die Ausrichtstruktur aus einer an der Oberseite und/oder der Montageseite freiliegenden, metallischen Fläche. Das freiliegende, metallische Material der Einfangstruktur und/oder der Ausrichtstruktur kann zum Beispiel ein Edelmetall, wie Gold oder Silber oder Platin oder Rhodium, aufweisen oder eine Legierung aus Edelmetallen sein. Aber auch unedle Metalle wie Kupfer sind möglich.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Einfangstruktur und/oder die Ausrichtstruktur in Draufsicht gesehen eine geometrische Form mit einer n-zähligen Drehsymmetrie auf, sodass das Bauteil im Schritt C) n unterschiedliche Orientierungen bezüglich des Anschlussträgers automatisch einnehmen kann. Das heißt, die Oberflächen- und Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit nimmt in jeder dieser n unterschiedlichen Orientierungen ein lokales Energieminimum ein. Insbesondere sind all diese n unterschiedlichen Orientierungen im Hinblick auf die Grenz- und Oberflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit gleichwertig.
- Unter einer n-zähligen Drehsymmetrie wird dabei verstanden, dass eine Drehung um eine senkrecht zur Oberseite beziehungsweise Montageseite verlaufende Symmetrieachse um m · 360°/n, wobei n und m natürliche Zahlen mit m ≥ 1 und n ≥ 1 sind, die Einfangstruktur beziehungsweise die Ausrichtstruktur in sich selbst überführt. Beispielsweise weist ein Quadrat eine 4-zählige Drehsymmetrie, ein Rechteck eine 2-zählige Drehsymmetrie und ein gleichseitiges Dreieck eine 3-zählige Drehsymmetrie auf. Ein gleichschenkliges, aber nicht gleichseitiges Dreieck weist keine Drehsymmetrie beziehungsweise nur eine 1-zählige Drehsymmetrie auf. Die Einfangstruktur und/oder die Ausrichtstruktur weisen beispielsweise eine n = 1 oder n > 1 oder n ≥ 2 oder n ≥ 3 zählige Drehsymmetrie auf.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Verteilung der Anschlusselemente auf dem Anschlussträger und/oder die Verteilung der Kontaktelemente auf dem Bauteil eine entsprechende n-zählige Drehsymmetrie auf, sodass in jeder der n unterschiedlichen Orientierungen die zur bestimmungsgemäßen Kontaktierung notwendigen Kontaktelemente des Bauteils entsprechenden Anschlusselementen des Anschlussträgers gegenüberliegen. Unter allen notwendigen Kontaktelementen ist eine beliebige Gruppe von Kontaktelementen zu verstehen, die mindestens über den Anschlussträger elektrisch kontaktiert werden muss, damit das Bauteil seinen bestimmungsgemäßen Betrieb aufnehmen kann.
- Insbesondere führt also eine die Ausrichtstruktur oder die Einfangstruktur in sich selbst überführende Drehung des Bauteils oder des Anschlussträgers dazu, dass die Kontaktelemente oder Anschlusselemente in funktionell identische Kontaktelemente oder Anschlusselemente überführt werden. In jeder der n unterschiedlichen Orientierungen kann das Bauteil an den Anschlussträger elektrisch angeschlossen werden, um seinen bestimmungsgemäßen Betrieb aufzunehmen. Insbesondere sind also Anoden und Kathoden des Bauteils nach jeder Drehung gegenüber von passenden Elektroden des Anschlussträgers angeordnet und können mit diesem über ein Lotmaterial verbunden werden.
- Beispielsweise umfasst das Bauteil dazu an der Montageseite eine Kontaktgruppe, die alle zur bestimmungsgemäßen Kontaktierung des Bauteils notwendigen Kontaktelemente, was insbesondere zumindest zwei Kontaktelemente sind, umfasst. Das Bauteil kann dann zum Beispiel n-1 weitere solcher Kontaktgruppen aufweisen, sodass jede Drehung des Bauteils um m · 360°/n die n Kontaktgruppen deckungsgleich ineinander überführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Anschlussträger entsprechende Anschlussgruppen aufweisen.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Anschlussträger und/oder das Bauteil ein oder mehrere redundante Anschlusselemente und/oder ein oder mehrere redundante Kontaktelemente auf. Redundante Anschlusselemente oder Kontaktelemente sind hier solche Kontaktelemente oder Anschlusselemente, die eine identische Funktion wie andere Kontaktelemente oder Anschlusselemente des Bauteils oder des Anschlussträgers haben, die nach der automatischen Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger aber nicht zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils beitragen. Die redundanten Anschlusselemente und/oder redundanten Kontaktelemente liegen nach der automatischen Ausrichtung insbesondere keinem Kontaktelement oder keinem Anschlusselement gegenüber.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur in Draufsicht gesehen jeweils eine geometrische Form ohne Drehsymmetrie auf, sodass das Bauteil im Schritt C) nur genau eine vorbestimmte Orientierung bezüglich des Anschlussträgers automatisch einnehmen kann. In diesem Fall weist das Bauteil und/oder der Anschlussträger beispielsweise jeweils nur eine der oben spezifizierten Kontaktgruppen oder Anschlussgruppen auf.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Einfangstruktur und/oder die Ausrichtstruktur elektrisch isoliert von elektrisch funktionellen Komponenten des Anschlussträgers und/oder des Bauteils. Das heißt, durch die Einfangstruktur und/oder die Ausrichtstruktur werden im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bauteils kein Strom oder keine Ladungsträger hindurchgeführt. Die Ausrichtstruktur und die Einfangstruktur dienen in diesem Fall nicht zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils, sondern zum Beispiel lediglich zur Ausrichtung des Bauteils auf dem Anschlussträger.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet ein Anschlusselement des Anschlussträgers die Einfangstruktur oder weist ein Anschlusselement des Anschlussträgers die Einfangstruktur auf. Entsprechend kann ein Kontaktelement des Bauteils die Ausrichtstruktur bilden oder ein Kontaktelement des Bauteils die Ausrichtstruktur aufweisen. Das heißt, die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur tragen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bauteils zur elektrischen Kontaktierung, insbesondere zur Bestromung des Bauteils bei. Über die Einfangstruktur und die Ausrichtstruktur wird also im bestimmungsgemäßen Betrieb Strom geleitet. Insbesondere kann dann im bestimmungsgemäßen Betrieb Strom zwischen der Ausrichtstruktur und der Einfangstruktur über das Material der Benetzungsflüssigkeit geleitet werden.
- Beispielsweise bildet die Ausrichtstruktur eine Kathode oder eine Anode des Bauteils. Neben der Ausrichtstruktur können dann eine oder mehrere Kontaktelemente der entgegengesetzten Polarität, also Anoden oder Kathoden, angeordnet sein. Entsprechend wird zum Beispiel die Einfangstruktur durch eine Elektronen abführende oder zuführende Elektrode gebildet und die daneben angeordneten Anschlusselemente weisen eine entgegengesetzte Polarität auf.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden nach dem Schritt C) in einem Schritt D) die neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelemente mit den gegenüberliegenden passenden Anschlusselementen mit einem Lötmaterial elektrisch leitend verbunden.
- Der Schritt D) ist bevorzugt ein separater und unabhängig vom Schritt C) durchgeführter Verfahrensschritt. Insbesondere sind in dem Zeitraum nach dem Schritt C) und vor dem Schritt D) die neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelemente nicht unmittelbar mit den gegenüberliegenden, neben der Einfangstruktur angeordneten Anschlusselementen verbundenen. Dies erfolgt erst im Schritt D).
- Die Ausrichtstruktur bleibt nach dem Schritt C) bevorzugt mit der Einfangstruktur über das Material der Benetzungsflüssigkeit verbunden. Insbesondere verbleibt das Material der Benetzungsflüssigkeit endgültig zwischen der Ausrichtstruktur und der Einfangstruktur und wird später nicht entfernt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird als Lötmaterial zwischen zumindest einem oder allen neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelementen und den dazu passenden Anschlusselementen die Benetzungsflüssigkeit verwendet.
- Dazu kann insbesondere vor dem Schritt D) die Benetzbarkeit des Bauteils und des Anschlussträgers im Bereich dieser Kontaktelemente und Anschlusselemente mit der Benetzungsflüssigkeit erhöht werden, zum Beispiel durch Entfernen einer Antibenetzungsschicht. Wenn nach dem Schritt C) die zwischen der Ausrichtstruktur und der Einfangstruktur befindliche Benetzungsflüssigkeit zunächst ausgehärtet wurde, kann sie wieder verflüssigt werden. Die Benetzungsflüssigkeit kann dann diese Kontaktelemente und die passenden Anschlusselemente benetzen und so elektrisch leitend verbinden. Um diesen Prozess zu unterstützen, kann das Bauteil zusätzlich auf den Anschlussträger aufgedrückt werden.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Lötmaterial zwischen zumindest einem neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelement und einem dazu passenden Anschlusselement durch ein von dem Benetzungsmaterial verschiedenes Lötmaterial gebildet. Vorteilhafterweise wird dazu vor dem Schritt D) die Benetzungsflüssigkeit zwischen der Einfangstruktur und der Ausrichtstruktur ausgehärtet. Das Lötmaterial ist beispielsweise hochschmelzend mit einer höheren Schmelztemperatur als die Benetzungsflüssigkeit / als das Benetzungsmaterial. Das Lötmaterial hat zum Beispiel eine Schmelztemperatur von zumindest 200 °C. Das Benetzungsmaterial ist insbesondere niedrigschmelzend mit einer Schmelztemperatur von höchstens 120 °C.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Lötmaterial bereits vor dem Schritt C) auf die Anschlussflächen und/oder die Kontaktflächen aufgebracht. Zum Beispiel wird das Lötmaterial dabei direkt auf die Anschlussflächen und/oder Kontaktflächen aufgebracht und dann mit einer Antibenetzungsschicht überzogen.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren der Anschlussträger mit einer Mehrzahl von Bauteilen bestückt. Dazu weist der Anschlussträger für jedes Bauteil eine eigene Einfangstruktur auf und jedes Bauteil weist an einer Montageseite eine Ausrichtstruktur auf.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden im Schritt C) der Anschlussträger und die Bauteile in ein flüssiges Transportmedium, wie Wasser oder Öl oder Silikonöl oder Ethylenglykol, eingebracht. Das flüssige Transportmedium erlaubt eine freie Bewegung der Bauteile innerhalb des Transportmediums. Anschließend können die Bauteile innerhalb des Transportmediums entlang der lateralen Ausdehnung des Anschlussträgers verteilt werden. Beispielsweise kann dies durch Rütteln des Anschlussträgers innerhalb des Transportmediums erreicht werden.
- Das Transportmedium weist beispielsweise eine Dichte zwischen einschließlich 0,8 g/cm3 und 1,2 g /cm3 auf. Innerhalb des Transportmediums fallen die Bauteile auf den Anschlussträger. Aufgrund des Auftriebs innerhalb des Transportmediums treffen die Bauteile aber nur mit einer geringen Geschwindigkeit auf den Anschlussträger, was zu einer besonders schonenden Aufbringung der Bauteile auf dem Anschlussträger führt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem Schritt C) die Fläche der Einfangstruktur vergrößert, sodass die Benetzungsflüssigkeit die vergrößerte Fläche der Einfangstruktur benetzt und dadurch der Abstand zwischen dem Bauteil und dem Anschlussträger automatisch reduziert wird.
- Zum Vergrößern der Fläche der Einfangstruktur wird beispielsweise eine Antibenetzungsschicht entfernt. Zum Beispiel wird die Einfangstruktur durch eine Metallstruktur gebildet, die vor dem Schritt C) teilweise von einer Antibenetzungsschicht überdeckt ist. Der freiliegende, nicht überdeckte Bereich der Metallstruktur bildet zunächst die Einfangstruktur. Nach dem Schritt C) kann die Antibenetzungsschicht entfernt werden, sodass die Fläche des freiliegenden Metalls und somit der Einfangstruktur vergrößert wird. Die Benetzungsflüssigkeit kann dann die freigelegten Bereiche der Metallstruktur benetzen. Zum Beispiel wird dazu die nach dem Schritt C) ausgehärtete Benetzungsflüssigkeit erneut aufgeschmolzen. Alternativ kann die Benetzungsflüssigkeit aber auch die ganze Zeit seit Durchführung des Schrittes C) flüssig geblieben sein.
- Wenn sich die Benetzungsflüssigkeit auf eine größere Fläche verteilt, sprich auf die vergrößerte Einfangstruktur, wird die Dicke der Benetzungsflüssigkeit zwischen dem Bauteil und dem Anschlussträger reduziert. Es wird also automatisch der Abstand zwischen dem Bauteil und dem Anschlussträger reduziert.
- Darüber hinaus wird eine Vorrichtung angegeben. Die Vorrichtung kann insbesondere mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Das heißt, sämtliche in Verbindung mit dem Verfahren offenbarten Merkmale sind auch für die Vorrichtung offenbart und umgekehrt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Anschlussträger und ein elektronisches Bauteil. Der Anschlussträger weist an einer Oberseite eine Einfangstruktur sowie ein oder mehrere daneben angeordnete Anschlusselemente auf. Das Bauteil weist an einer Montageseite eine Ausrichtstruktur sowie eine oder mehrere daneben angeordnete Kontaktelemente auf. Die Ausrichtstruktur und die Einfangstruktur liegen einander gegenüber und sind miteinander über ein Benetzungsmaterial verbunden. Die Kontaktelemente des Bauteils liegen den dazu passenden Anschlusselementen gegenüber und sind mit diesen über ein Lötmaterial elektrisch leitend verbunden.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen in Draufsicht gesehen die Ausrichtstruktur und die Einfangstruktur konzentrische geometrische Formen mit einer n-zähligen Drehsymmetrie auf, wobei n ≥ 1, insbesondere n = 1 oder n > 1 oder n ≥ 2 oder n ≥ 3, gilt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Verteilung der Anschlusselemente auf dem Anschlussträger und/oder die Verteilung der Kontaktelemente an der Montageseite eine entsprechende n-zählige Drehsymmetrie auf, sodass jede die Ausrichtstruktur in sich selbst überführende Rotation des Bauteils um m · 360°/n, mit m ≥ 1, dazu führen würde, dass alle zur bestimmungsgemäßen elektrischen Kontaktierung des Bauteils notwendigen Kontaktelemente passenden Anschlusselementen gegenüberliegen.
- Mit den in sich selbst überführenden Rotationen des Bauteils um m · 360°/n ist vorliegend gemeint, dass bei einer solchen Rotation der Anschlussträger nicht mitrotiert wird, sondern fixiert bleibt. Nur das Bauteil soll rotiert werden.
- Gemäß zumindest eine Ausführungsform handelt es sich bei dem Benetzungsmaterial um Lötmaterial, das sich von dem Lötmaterial zwischen den Anschlusselementen und den Kontaktelementen unterscheidet. Insbesondere ist das Benetzungsmaterial ein niedrigschmelzendes Lötmaterial. Das Lötmaterial zwischen den Anschlusselementen und Kontaktelementen ist beispielsweise hochschmelzend.
- Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Bauteil angegeben. Das optoelektronische Bauteil ist insbesondere zur Verwendung in dem hier beschriebenen Verfahren geeignet. Alle im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbarten Merkmale sind daher auch für das optoelektronische Bauteil offenbart und umgekehrt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauteil eine Montageseite, eine Ausrichtstruktur zur Montage des Bauteils und ein oder mehrere daneben angeordnete Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils. Im Bereich der Ausrichtstruktur ist das Bauteil mit einer Benetzungsflüssigkeit, wie einem flüssigen Metall, benetzbar. Im Bereich der neben der Ausrichtstruktur angeordneten Kontaktelemente ist das Bauteil mit der Benetzungsflüssigkeit schlechter benetzbar als im Bereich der Ausrichtstruktur.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Ausrichtstruktur in Draufsicht gesehen eine geometrische Form mit einer n-zähligen Drehsymmetrie auf, wobei n ≥ 1, insbesondere n = 1 oder n > 1 oder n ≥ 2 oder n ≥ 3, gilt. Die Verteilung der Kontaktelemente an der Montageseite weist eine entsprechende n-zählige Drehsymmetrie auf, sodass jede die Ausrichtstruktur in sich selbst überführende Rotation des Bauteils um m · 360°/n dazu führt, dass alle Kontaktelemente in funktionsgleiche Kontaktelemente überführt werden.
- Funktionsgleiche Kontaktelemente sind dabei solche Kontaktelemente, die im bestimmungsgemäßen Betrieb die gleiche elektrische Funktion erfüllen. Funktionsgleiche Kontaktelemente sind beispielsweise Kontaktelemente, die identische Polaritäten aufweisen und mit demselben Anschlusselement eines Anschlussträgers verbunden werden können.
- Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren, eine hier beschriebene Vorrichtung sowie ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauteil unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
- Es zeigen:
-
1A bis2B verschiedene Positionen in Ausführungsbeispielen des Verfahrens, -
3A bis3E Draufsichten auf Ausführungsbeispiele der Vorrichtung, -
4A bis5D verschiedene Positionen von Ausführungsbeispielen des Verfahrens. - In
1A ist eine Position des Verfahrens gezeigt, in der ein Anschlussträger1 und zwei Bauteile2 bereitgestellt sind. Der Anschlussträger1 und die Bauteile2 sind in Draufsicht auf eine Oberseite13 des Anschlussträgers1 und auf Montageseiten23 der Bauteile2 gezeigt. - Der Anschlussträger
1 ist in lateraler Richtung parallel zur Oberseite13 in eine Mehrzahl von Anschlussbereiche unterteilt, wobei die Grenzen zwischen benachbarten Anschlussbereichen durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Jeder der Anschlussbereiche ist zur Montage eines Bauteils2 vorgesehen. In jedem Anschlussbereich weist der Anschlussträger1 eine Einfangstruktur10 zum Einfangen eines elektrischen Bauteils2 sowie lateral daneben angeordnete Anschlusselemente11 ,12 zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils2 auf. - Die Einfangstruktur
10 und die Anschlusselemente11 ,12 bilden in Draufsicht gesehen jeweils eine zusammenhängende metallische Fläche. Die Einfangstruktur10 und die Anschlusselemente11 ,12 liegen in der1A an der Oberseite13 des Anschlussträgers1 also frei. Die Einfangstruktur10 und die Anschlusselemente11 ,12 sind voneinander elektrisch isoliert. - Bei den dargestellten Bauteilen
2 handelt es sich vorliegend um LED-Halbleiterchips, insbesondere sogenannte Flip-Chips. Jedes Bauteil2 weist auf der Montageseite23 eine einzige Ausrichtstruktur20 sowie zwei lateral daneben angeordnete Kontaktelemente21 ,22 auf. Die Ausrichtstruktur20 und die daneben angeordneten Kontaktelemente21 ,22 bilden in Draufsicht gesehen jeweils zusammenhängende, metallische Flächen, die an der Montageseite23 frei liegen. Die Ausrichtstruktur20 ist von den Kontaktelementen21 ,22 elektrisch isoliert. - Ferner ist in
1A zu erkennen, dass die Einfangstruktur10 und die Ausrichtstruktur20 aneinander angepasste geometrische Formen aufweisen. Vorliegend sind sowohl die Einfangstruktur10 als auch die Ausrichtstruktur20 als zueinander konzentrische Rechtecke ausgebildet. - In der
1B ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem auf den Anschlussträger1 im Bereich der Anschlusselemente11 ,12 eine Antibenetzungsschicht4 aufgebracht ist. Die Antibenetzungsschicht4 basiert beispielsweise auf Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder einem Polymer. Auf die Einfangstruktur10 ist ein Benetzungsmaterial3 aufgebracht, das die Einfangstruktur10 vollständig bedeckt und benetzt. - Auf die Kontaktelemente
21 ,22 der Bauteile2 ist ebenfalls eine Antibenetzungsschicht4 aufgebracht. - In der
1C ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem der Anschlussträger1 und die Bauteile2 in ein Transportmedium6 , zum Beispiel Wasser oder Öl, eingebracht sind. Innerhalb des Transportmediums6 fallen die Bauteile2 auf den Anschlussträger1 hinunter. Durch die Auftriebskraft innerhalb des Transportmediums6 fallen die Bauteile2 dabei so langsam auf den Anschlussträger1 , dass sie beim Auftreffen nicht beschädigt werden. Um die Bauteile2 lateral, das heißt entlang der Haupterstreckungsrichtung des Anschlussträgers1 , zu verteilen, wird beispielsweise der Anschlussträger1 gerüttelt. - Zusätzlich wird innerhalb des Transportmediums
6 das Benetzungsmaterial3 auf den Einfangstrukturen10 soweit aufgeheizt, bis es sich verflüssigt. Auf den Einfangstrukturen10 bildet sich also eine Benetzungsflüssigkeit3 , die die Einfangstrukturen10 benetzt. - In
1D ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem die Bauteile2 mit dem Anschlussträger1 über die Benetzungsflüssigkeit3 verbunden sind. Dabei benetzt die Benetzungsflüssigkeit3 sowohl die Einfangstruktur10 als auch die Ausrichtstruktur20 . Im Bereich der Anschlusselemente11 ,12 und der Kontaktelemente21 ,22 sind der Anschlussträger1 und das Bauteil2 aufgrund der Antibenetzungsschicht4 nicht oder nur unwesentlich mit der Benetzungsflüssigkeit3 bedeckt. Insbesondere ist eine signifikante Benetzung des Anschlussträgers1 und der Bauteile2 nur im Bereich der Einfangstrukturen10 und der Ausrichtstrukturen20 gegeben. Das heißt, die Verbindung zwischen den Bauteilen2 und dem Anschlussträger1 erfolgt anfangs nur im Bereich der Einfangstrukturen10 und der Ausrichtstrukturen20 mittels der Benetzungsflüssigkeit3 . - Beim Hinunterfallen der Bauteile
2 auf den Anschlussträger1 werden die Bauteile2 durch die Benetzungsflüssigkeit3 eingefangen und die Ausrichtstrukturen10 werden von der Benetzungsflüssigkeit3 benetzt. Das Bestreben der Benetzungsflüssigkeit3 , ihre Oberflächen- und Grenzflächenenergie zu minimieren, führt dazu, dass die Bauteile2 automatisch positioniert und ausgerichtet werden. - In der
1E ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem die Anschlusselemente11 ,12 mit den passenden Kontaktelementen21 ,22 über ein Lötmaterial5 verbunden sind. Dazu wurden zuvor die Antibenetzungsschichten4 von den Anschlusselementen11 ,12 und Kontaktelementen21 ,22 abgelöst. Über das Lötmaterial5 sind die Bauteile2 elektrisch mit dem Anschlussträger1 verbunden. Das Lötmaterial5 unterscheidet sich beispielsweise von dem Material der Benetzungsflüssigkeit3 . - Das Lötmaterial
5 kann schon vor dem Aufbringen der Bauteile2 auf den Anschlussträger1 auf den Anschlusselementen11 ,12 und/oder den Kontaktelementen21 ,22 aufgebracht sein. Nachdem die Antibenetzungsschicht4 entfernt wurde, wurde das Lötmaterial5 aufgeschmolzen und hat die Kontaktelemente21 ,22 und die passenden gegenüberliegenden Anschlusselemente11 ,12 benetzt. Durch das Aushärten des Lötmaterials5 wurden die Bauteile2 dann endgültig auf dem Anschlussträger1 befestigt und elektrisch angeschlossen. - In der
1F ist die so entstandene Vorrichtung100 in Draufsicht gezeigt. Die Bauteile2 sind durch die gestrichelten Linien dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Bauteile2 in zwei unterschiedlichen Orientierungen auf dem Anschlussträger1 angeordnet sind. In jeder dieser Orientierungen ist die Oberflächen- und Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit3 minimiert. Ferner sind in jeder dieser Orientierungen die Kontaktelemente11 ,12 der Bauteile2 dazu passenden Anschlusselementen21 ,22 zugeordnet. - Die zwei möglichen Orientierungen der Bauteile
2 auf dem Anschlussträger1 folgt aus der 2-zähligen Drehsymmetrie der Rechteckformen der Einfangstruktur10 und der Ausrichtstruktur20 . Die Anordnung der Anschlusselemente11 ,12 auf dem Anschlussträger1 weist ebenfalls eine 2-zählige Drehsymmetrie auf. Dadurch ist sichergestellt, dass in jeder der möglichen Orientierungen des Bauteils2 auf dem Anschlussträger1 die Kontaktelemente11 ,12 passenden Anschlusselementen21 ,22 gegenüberliegen. - In der
2A ist eine Position eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens gezeigt, die auf die in der1D gezeigte Position folgen kann. Nach dem Entfernen der Antibenetzungsschicht4 von den Anschlusselementen wird das ausgehärtete Benetzungsmaterial3 erneut erhitzt. Da das Antibenetzungsmaterial4 entfernt ist, kann die Benetzungsflüssigkeit3 nun auch die Kontaktelemente21 ,22 und die Anschlusselemente11 ,12 benetzen. Die Benetzungsflüssigkeit3 verteilt sich daher in lateraler Richtung und benetzt die Kontaktelemente21 ,22 und Anschlusselemente11 ,12 . Dies kann durch Aufdrücken der Bauteile2 auf den Anschlussträger1 unterstützt werden. - Durch das Benetzen der Kontaktelemente
21 ,22 und der Anschlusselemente11 ,12 mit der Benetzungsflüssigkeit3 wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktelementen21 ,22 und den Anschlusselementen11 ,12 hergestellt. - Eine darauffolgende Position des Verfahrens nach dem Aushärten der Benetzungsflüssigkeit
3 ist in der2B gezeigt. Die2B zeigt ein Ausführungsbeispiel der fertigen Vorrichtung100 . - In der
3A ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung100 in Draufsicht gezeigt. Das Bauteil2 weist einen quadratischen Querschnitt auf. Im Zentrum ist eine quadratische Ausrichtstruktur20 positioniert. Ein Isolationsbereich trennt die Ausrichtstruktur20 von den Kontaktelementen11 ,12 . Bei den Kontaktelementen12 handelt es sich zum Beispiel um Anoden, die entlang der Quadratseiten des Bauteils2 zentriert sind. Die Kontaktelemente11 in den Ecken des quadratischen Bauteils2 bilden zum Beispiel Kathoden. - Der Anschlussträger
1 weist eine Oberseite13 mit passenden Anschlusselementen11 ,12 sowie eine zu der Ausrichtstruktur20 passende quadratische Einfangstruktur10 auf. Die Einfangstruktur10 ist flächenmäßig größer als die Ausrichtstruktur20 . Das Bauteil2 ist derart auf dem Anschlussträger1 angeordnet, dass die Ausrichtstruktur20 und die Einfangstruktur10 konzentrisch übereinander liegen. - Diese Orientierung des Bauteils
2 bezüglich des Anschlussträgers1 ergibt sich bei dem hier beschriebenen Verfahren automatisch, da in dieser Orientierung die Oberflächen- und Grenzflächenenergie der zwischen der Einfangstruktur10 und der Ausrichtstruktur20 angeordneten Benetzungsflüssigkeit3 am geringsten ist. - Die Einfangstruktur
10 und die Ausrichtstruktur20 weisen eine 4-zählige Drehsymmetrie auf, sodass das Bauteil2 in vier energetisch gleichwertigen, möglichen Orientierungen auf dem Anschlussträger1 automatisch ausgerichtet werden kann. Die Anordnung der Kontaktelemente21 ,22 auf dem Bauteil2 weist eine entsprechende 4-zählige Drehsymmetrie auf, sodass jede Rotation des Bauteils um m · 90°, wobei m eine ganze Zahl ist, die Kontaktelemente21 ,22 in funktionsgleiche Kontaktelemente überführt. Nach jeder dieser Drehungen sind zur Kontaktierung des Bauteils2 notwendige Kontaktelemente21 ,22 gegenüber passenden Anschlusselementen11 ,12 angeordnet. - Die Vorrichtung
100 der3A wird beispielsweise wie folgt hergestellt. In einem ersten Schritt wird ein Bauteil2 in Form einer Lumineszenzdiode (LED) in Flip-Chip-Konfiguration mit einem quadratischen Querschnitt von 1 mm2 bereitgestellt. Im Zentrum der Montageseite23 ist eine quadratische, vergoldete Ausrichtstruktur20 mit zirka 0,6 mm Seitenlänge angeordnet. 125 µm breite Isolationsbereiche aus Si3N4 trennen die Ausrichtstruktur20 von den vergoldeten Kontaktelementen21 ,22 . Die Kontaktelemente21 ,22 sind zum Beispiel 200 µm lang und 75 µm breit. Auf den Kontaktelementen21 ,22 ist eine zirka 200 nm dicke Antibenetzungsschicht4 aus hydrogeniertem amorphem Silizium (a-Si:H) aufgebracht. - In einem weiteren Schritt wird ein Anschlussträger
1 mit Anschlusselementen11 ,12 und einer Einfangstruktur10 bereitgestellt. Auf die Anschlusselemente11 ,12 ist ein Lötmaterial5 in Form eines lötbaren Metallstapels aufgebracht. Bei dem Metallstapel handelt es sich um einen Zinn-Silber-Stapel von zirka 15 µm Dicke. Der Metallstapel bedeckt die Anschlusselemente11 ,12 vollständig. Auf dem Anschlussträger1 ist im Bereich der Einfangstruktur10 ein Benetzungsmaterial3 von 20 µm Dicke aufgebracht. Bei dem Benetzungsmaterial3 handelt es sich um eine eutektische GaIn-Legierung, die bereits bei Zimmertemperatur flüssig ist. - In einem nächsten Schritt werden mehrere der Bauteile
2 und der Anschlussträger1 in ein Transportmedium6 in Form von Propylenglykol eingetaucht, das mit Flussmittel versetzt ist, um dem Vergrätzen der GaIn-Schmelze entgegenzuwirken. Agitation lässt in kurzer Zeit jede Einfangstruktur10 des Anschlussträgers1 ein Bauteil2 einfangen. Anschließend wird der Anschlussträger1 mit den aufgebrachten Bauteilen2 wieder aus dem Transportmedium6 herausgenommen. Daraufhin wird die Antibenetzungsschicht4 abgeätzt. - Anschließend wird in einem Umschmelzschritt das Lötmaterial
5 bei zirka 260 °C verflüssigt. Dabei zieht sich die Schmelze des Lötmaterials5 auf die Anschlusselemente11 ,12 zusammen und benetzt gleichzeitig die gegenüberliegenden Kontaktelemente21 ,22 . Nach dem Abkühlen und Erstarren des Lötmaterials5 ist das Bauteil2 auf dem Anschlussträger1 fixiert. - In der
3B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung100 gezeigt. Das Bauteil2 ist zum Beispiel ein lineares LED-Bildelement mit einer Länge von zirka 0,8 mm und einer Breite von zirka 0,4 mm. Die Einfangstruktur10 und die Ausrichtstruktur20 haben konzentrische geometrische Formen mit einer 2-zähligen Drehsymmetrie. Der Anschlussträger1 und das Bauteil2 weisen Anschlusselemente11 ,12 und Kontaktelemente21 ,22 auf, die mit einer ebenfalls 2-zähligen Drehsymmetrie angeordnet sind. Auf diese Weise ist wiederum erreicht, dass in jeder energetisch gleichwertigen, möglichen Orientierung des Bauteils2 auf dem Anschlussträger1 die zum bestimmungsgemäßen Betrieb des Bauteils2 notwendigen Kontaktelemente21 ,22 passenden Anschlusselemente11 ,12 gegenüberliegen. Die Vorrichtung100 kann wie die Vorrichtung100 der3A hergestellt werden. - In der
3C ist eine Vorrichtung100 gezeigt, bei der die Einfangstruktur10 und die Ausrichtstruktur20 jeweils keine Drehsymmetrie beziehungsweise eine 1-zählige Drehsymmetrie aufweisen. Das heißt, die Einfangstruktur10 und die Ausrichtstruktur20 können nur durch eine Drehung von 360° deckungsgleich ineinander abgebildet werden. Entsprechend weist die Anordnung der Kontaktelemente21 ,22 auf dem Bauteil2 und der Anschlusselemente11 ,12 auf dem Anschlussträger1 auch keine Drehsymmetrie auf, da bei der Minimierung der Oberflächen- und Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit3 nur eine mögliche Orientierung des Bauteils2 auf dem Anschlussträger1 automatisch eingenommen werden kann. - In der
3D ist weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung100 in Draufsicht gezeigt. Bei dem Bauteil2 handelt es sich wieder um ein LED-Bildelement, das eine rote, eine grüne und eine blaue Leuchtfläche umfasst. Drei der nötigen vier Kontaktelemente21 ,22 sind entlang des Umfangs des Bauteils2 angebracht. Jedes dieser drei Kontaktelemente21 dient beispielsweise zur Bestromung einer anderen Leuchtfläche. Ein viertes Kontaktelement22 , das den Gegenkontakt zu den drei anderen Kontaktelementen21 bildet, bildet gleichzeitig die Ausrichtstruktur20 des Bauteils2 . Entsprechend bildet die Einfangstruktur10 des Anschlussträgers1 ein passendes Anschlusselement12 . Zu den übrigen drei Kontaktelementen21 sind passende Anschlusselemente11 auf dem Anschlussträger1 vorgesehen. Die Einfangstruktur10 und die Ausrichtstruktur20 haben wiederum eine 1-zählige Drehsymmetrie. - Die Vorrichtung
100 der3D wird beispielsweise wie folgt hergestellt. Als Benetzungsmaterial3 wird eine eutektische Wismut-Indium Legierung verwendet. Dazu wird zunächst auf die Einfangstruktur10 eine zirka 2 µm dicke Schicht aus der Wismut-Indium-Legierung mit zirka 20 % geringerem Flächeninhalt als die Einfangstruktur10 aufgebracht. Als Lötmaterial5 ist auf den übrigen Anschlusselementen11 ein zirka 1,5 µm hoher Ti/Pt/Ti-Stapel vorgesehen. Als Antibenetzungsschicht4 wird eine zirka 300 nm dicke Photolackschicht verwendet. - Zum Aufschmelzen des Benetzungsmaterials
3 werden die Bauteile2 und der Anschlussträger1 in Ethylenglykol bei 90 °C eingetaucht. Dem Ethylenglykol ist ein Reduktionsmittel beigemengt, um ein Vergrätzen zu verhindern. Nach dem automatischen Einfangen und Ausrichten des Bauteils2 auf dem Anschlussträger1 wird die Antibenetzungsschicht4 entfernt. Anschließend wird das Bauteil2 bei zirka 200 °C auf den Anschlussträger1 aufgepresst, um die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktelementen21 und den passenden Anschlusselementen11 über das aufgeschmolzene Lötmaterial5 herzustellen. Dabei verringert sich der Abstand des Bauteils2 zu dem Anschlussträger1 von anfangs zirka 2 µm zu zirka 1,5 µm. - In der
3E ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung100 gezeigt, die im Wesentlichen der Vorrichtung100 der3D entspricht. Anders als in3D sind die Einfangstruktur10 und die Ausrichtstruktur20 tropfenförmig ausgebildet. Auch mit dieser geometrischen Form weisen die Einfangstruktur10 und die Ausrichtstruktur20 eine 1-zählige Drehsymmetrie auf. - Die Vorrichtung
100 der3E wird beispielsweise wie folgt hergestellt. Als Benetzungsmaterial3 wird eine Zinn-Silber-Kupfer-Legierung verwendet, die zunächst mit zirka 2 µm Dicke auf die Einfangstruktur10 aufgebracht ist und einen zirka 20 % größeren Flächeninhalt als die Einfangstruktur10 aufweist. Die Kontaktelemente21 ,22 und die Anschlusselemente11 ,12 sind vergoldet oder bestehen aus Gold. Auf die neben der Einfangstruktur10 und Ausrichtstruktur20 angeordneten Anschlusselemente11 und Kontaktelemente21 ist kein zusätzliches Lötmaterial aufgebracht. Die Kontaktelemente21 und die Anschlusselemente11 neben der Ausrichtstruktur20 und der Einfangstruktur10 sind mit einer zirka 100 nm dicken Antibenetzungsschicht4 aus PECVD-SiN überzogen. - Zum Aufschmelzen des Benetzungsmaterials
3 zu der Benetzungsflüssigkeit3 werden der Anschlussträger1 und das Bauteil2 in Silikonöl bei zirka 240 °C getaucht. Dem Silikonöl ist ein Reduktionsmittel beigemengt. Dabei reagiert die Sn-Schmelze der Benetzungsflüssigkeit3 mit dem Au der Einfangstruktur10 zu einer goldreichen AuSn-Legierung, in der das Ag und Cu aus dem anfänglichen Benetzungsmaterial3 gelöst sind. Die Solidustemperatur dieser Schmelze liegt oberhalb von 320 °C. - Nach dem automatischen Einfangen und Ausrichten des Bauteils
2 wird das Antibenetzungsschicht4 entfernt und das Bauteil2 auf zirka 300 °C erhitzt, um AuSn-Depots auf der Einfangstruktur10 beziehungsweise der Ausrichtstruktur20 , die seitlich über die Einfangstruktur10 beziehungsweise Ausrichtstruktur20 hinaus ragen, aufzuschmelzen. Diese Depots ballen sich dann zusammen und benetzen die neben der Einfangstruktur10 und Ausrichtstruktur20 angeordneten Anschlusselemente11 und Kontaktelemente21 , so wie es beispielsweise in den2A und2B dargestellt ist. Das Lötmaterial5 zwischen den Anschlusselementen11 und den Kontaktelementen22 wird also dann durch das Material dieser Depots gebildet. - In
4A ist wieder eine Position eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens gezeigt, bei dem ein Bauteil2 mit einer Ausrichtstruktur20 und drei lateral neben der Ausrichtstruktur20 angeordneten Kontaktelementen21 bereitgestellt ist. Die Ausrichtstruktur20 dient gleichzeitig als ein Kontaktelement22 , beispielsweise als Kathode22 . Die daneben angeordneten Kontaktelemente21 dienen beispielsweise als Anoden für unterschiedliche Leuchtflächen, beispielsweise einer ersten roten 24, einer zweiten grünen 25 und einer dritten blauen 26 Leuchtfläche des Bauteils2 . - Die
4B und4C zeigen das Bauteil2 in Querschnittsansicht. Zu erkennen ist, dass die Anoden21 jeweils mit einer Antibenetzungsschicht4 überzogen sind. Im Bereich der Einfangstruktur20 ist die Kathode22 dagegen frei von der Antibenetzungsschicht4 . - In der
4D ist eine Position des Verfahrens gezeigt, bei dem ein Anschlussträger1 bereitgestellt ist. Der Anschlussträger1 umfasst zwei Anschlussbereiche, die jeweils zum Einfang eines Bauteils2 vorgesehen sind. In jedem Anschlussbereich ist eine Einfangstruktur10 vorgesehen, die vorliegend durch ein viertes Anschlusselement12 zur Injektion von Elektronen in das Bauteil2 gebildet ist. Ferner sind lateral benachbart zu der Einfangstruktur10 drei gegenpolige Anschlusselemente11 , nämlich ein erstes 14, ein zweites 15 und ein drittes 16 Anschlusselement, vorgesehen, die zur Aufnahme von Elektronen aus dem Bauteil2 eingerichtet sind. Das erste Anschlusselement14 dient beispielsweise zur Bestromung der ersten Leuchtfläche24 , das zweite Anschlusselement15 zur Bestromung der zweiten Leuchtfläche25 und das dritte Anschlusselement16 zur Bestromung der dritten Leuchtfläche26 . - Die Einfangstruktur
10 und die Ausrichtstruktur20 weisen eine rechteckige, also 2-zählige, Drehsymmetrie auf. Entsprechend findet sich zu der zur Kontaktierung des Bauteils2 notwendigen Gruppe aus Anschlusselementen11 ,12 ,14 ,15 ,16 eine funktionsgleiche Gruppe von Anschlusselementen11 ,12 ,14 ,15 ,16 , die bei einer die Einfangstruktur10 in sich selbst überführenden Rotation um 180° deckungsgleich ineinander überführt werden. - Die
4E zeigt eine Position des Verfahrens, bei dem die Bauteile2 bereits auf den Anschlussträger1 aufgebracht sind, sodass die Vorrichtung100 gebildet ist. Zu sehen ist, dass das Bauteil2 mit zwei hinsichtlich der Oberflächen- und Grenzflächenenergie des Benetzungsmaterials3 energetisch gleichwertigen Orientierungen auf dem Anschlussträger1 montiert werden. In jeder der Orientierungen ist das Bauteil2 bestimmungsgemäß kontaktierbar, sodass die Leuchtflächen24 ,25 ,26 von den passenden Anschlusselementen14 ,15 ,16 auf dem Anschlussträger1 bestromt werden. - In den
5A bis5D sind verschiedene Positionen des Verfahrens zur Herstellung der Vorrichtung100 der4E in Querschnittsansicht gezeigt. - In der
5A ist zunächst zu sehen, dass auf die Einfangstruktur10 des Anschlussträgers1 ein Benetzungsmaterial3 aufgebracht ist. Beispielsweise liegt das Benetzungsmaterial3 zunächst in einem festen Aggregatzustand vor. Bei dem Benetzungsmaterial3 handelt es sich beispielsweise um eine SnAgCu- oder SnCu- oder AuSn-Legierung. - Ferner sind sowohl die Anschlusselemente
11 auf dem Anschlussträger1 als auch die Kontaktelemente21 auf dem Bauteil2 mit einer Antibenetzungsschicht4 versehen, die ein Benetzen mit dem flüssigen Benetzungsmaterial3 , sprich der Benetzungsflüssigkeit3 , verhindern soll. Die Antibenetzungsschicht4 besteht beispielsweise aus Zinkoxid oder Siliziumoxid. Zwischen der Antibenetzungsschicht4 und den Anschlusselementen11 ist ein Lötmaterial5 angeordnet. Bei dem Lötmaterial5 handelt es sich insbesondere um eine Metalllegierung. - Ebenso ist in
5A zu erkennen, dass die Einfangstruktur10 durch die freiliegende metallische Fläche des Anschlusselements12 gebildet ist. Die Form dieser freiliegenden Fläche unterscheidet sich aber von der Form des Anschlusselements12 , weil einige Bereiche des Anschlusselements12 ebenfalls von der Antibenetzungsschicht4 überdeckt sind. Die Einfangstruktur10 ist also nur durch den nicht von der Antibenetzungsschicht4 überdeckten Bereich des Anschlusselements12 gebildet. Entsprechendes gilt für das Kontaktelement22 beziehungsweise die Ausrichtstruktur20 . - In der Position der
5B ist gezeigt, wie das Benetzungsmaterial3 aufgeschmolzen wurde, so dass sich eine Benetzungsflüssigkeit3 bildet und das Bauteil2 auf dem Anschlussträger1 montiert ist. Die Benetzungsflüssigkeit3 fängt das Bauteil2 ein und benetzt wohl die Ausrichtstruktur20 als auch die Einfangstruktur10 . Durch die Minimierung der Oberflächen -und Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit3 wird das Bauteil2 auf dem Anschlussträger1 ausgerichtet. Die Kontaktelemente21 und Anschlusselemente11 neben der Ausrichtstruktur20 und der Einfangstruktur10 bleiben aufgrund der Antibenetzungsschicht4 von der Benetzungsflüssigkeit3 unbenetzt. - In der
5C ist eine Position des Verfahrens gezeigt, bei der die Antibenetzungsschicht4 beispielsweise durch Ätzen entfernt ist. Das Lötmaterial5 auf den Anschlusselementen11 ist dadurch freigelegt. Zuvor wurde beispielsweise die Benetzungsflüssigkeit3 wieder ausgehärtet. - Durch das Entfernen der Antibenetzungsschicht
4 wird die Fläche der Einfangstruktur10 vergrößert. Die vom Benetzungsmaterial3 bedeckte Fläche der Einfangstruktur10 ist daher deutlich kleiner als die Einfangstruktur10 . - In der
5D ist eine Position des Verfahrens gezeigt, bei dem durch Aufschmelzen des Lötmaterials5 und des Benetzungsmaterials3 die Anschlusselemente11 mit den passenden Kontaktelementen21 des Bauteils2 elektrisch leitend verbunden sind. Die elektrische Kontaktierung des Bauteils2 ist also durch das Lötmaterial5 zwischen den Kontaktelementen21 und den Anschlusselementen11 und durch das Benetzungsmaterial3 zwischen dem Kontaktelement22 und dem Anschlusselement12 hergestellt. Durch das Aufschmelzen des Benetzungsmaterials3 hat sich die Benetzungsflüssigkeit3 auf der nun größeren Einfangstruktur10 ausgebreitet. Die Dicke der Benetzungsflüssigkeit3 hat sich dabei reduziert, was den Abstand zwischen Anschlussträger1 und Bauteil2 ohne äußere Krafteinwirkung reduziert hat. Als der Abstand klein genug geworden ist, konnte das Bauteil2 an den Kontaktelementen21 von dem flüssigen Lötmaterial5 benetzt werden. - Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf 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 diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Anschlussträger
- 2
- Bauteil
- 3
- Benetzungsflüssigkeit/Benetzungsmaterial
- 4
- Antibenetzungsschicht
- 5
- Lötmaterial
- 10
- Einfangstruktur
- 11
- Anschlusselement
- 12
- Anschlusselement
- 13
- Oberseite
- 14
- Anschlusselement
- 15
- Anschlusselement
- 16
- Anschlusselement
- 20
- Ausrichtstruktur
- 21
- Kontaktelement
- 22
- Kontaktelement
- 23
- Montageseite
- 24
- Leuchtfläche
- 25
- Leuchtfläche
- 26
- Leuchtfläche
- 100
- Vorrichtung
Claims (20)
- Verfahren zum selbstjustierten Bestücken eines Anschlussträgers (1) mit einem Bauteil (2), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines Anschlussträgers (1), der an einer Oberseite (13) eine Einfangstruktur (10) zum Einfangen des Bauteils (2) sowie ein oder mehrere neben der Einfangstruktur (10) angeordnete Anschlusselemente (11, 12) zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils (2) aufweist; B) Bereitstellen eines Bauteils (2), das an einer Montageseite (23) eine Ausrichtstruktur (20) sowie ein oder mehrere neben der Ausrichtstruktur (20) angeordnete Kontaktelemente (21, 22) zur elektrischen Verbindung mit den Anschlusselementen (11, 12) aufweist; C) Verbinden des Bauteils (2) mit dem Anschlussträger (1) über eine Benetzungsflüssigkeit (3), wobei die Einfangstruktur (10) und die Ausrichtstruktur (20) von der Benetzungsflüssigkeit (3) benetzt werden und die Minimierung der Oberflächenenergie und Grenzflächenenergie der Benetzungsflüssigkeit (3) zur Fixierung und automatischen Ausrichtung des Bauteils (2) auf dem Anschlussträger (1) genutzt wird; wobei - der Anschlussträger (1) und das Bauteil (2) im Bereich der Einfangstruktur (10) und der Ausrichtstruktur (20) eine höhere Benetzbarkeit mit der Benetzungsflüssigkeit (3) aufweisen als im Bereich der daneben angeordneten Anschlusselemente (11, 12) und Kontaktelemente (21, 22), sodass die automatische Ausrichtung des Bauteils (2) auf dem Anschlussträger (1) durch die geometrischen Formen der Einfangstruktur (10) und der Ausrichtstruktur (20) bestimmt wird, - die geometrische Form der Ausrichtstruktur (20) derart an die geometrische Form der Einfangstruktur (10) angepasst ist, dass das Bauteil (2) automatisch in eine vorbestimmte Position und eine vorbestimmte Orientierung bezüglich des Anschlussträgers (1) ausgerichtet wird, - die Anordnung der Kontaktelemente (21, 22) bezüglich der Ausrichtstruktur (20) und die Anordnung der Anschlusselemente (11, 12) bezüglich der Einfangstruktur (10) derart gewählt sind, dass nach der automatischen Ausrichtung des Bauteils (2) die Kontaktelemente (21, 22) gegenüber passenden Anschlusselementen (11, 12) liegen.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei das Bauteil (2) eine einzige, zusammenhängende Ausrichtstruktur (20) aufweist. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , wobei - vor dem Schritt C) jedes neben der Ausrichtstruktur (20) angeordnete Kontaktelement (21, 22) und/oder jedes neben der Einfangstruktur (10) angeordnete Anschlusselement (11, 12) mit einer Antibenetzungsschicht (4) bedeckt wird, um ein Benetzen des Bauteils (2) im Bereich dieser Kontaktelemente (21, 22) und/oder ein Benetzen des Anschlussträgers (1) im Bereich dieser Anschlusselemente (11, 12) zu verhindern, - nach dem Schritt C) die Antibenetzungsschicht (4) wieder von den Kontaktelementen (21, 22) und/oder den Anschlusselementen (11, 12) entfernt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Benetzungsflüssigkeit (3) ein flüssiges Metall ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Benetzungsflüssigkeit (3) im Schritt C) eine Oberflächenenergie von zumindest 150 mJ/m2 aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausrichtstruktur (20) und die Einfangstruktur (10) in Draufsicht konzentrische oder kongruente geometrische Formen aufweisen.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ausrichtstruktur (20) und die Einfangstruktur (10) konzentrische geometrische Formen aufweisen und die in Draufsicht gesehene Fläche der Einfangstruktur (10) höchstens 20 % größer oder höchstens 20 % kleiner als die Fläche der Ausrichtstruktur (20) ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Schritt C) - die Einfangstruktur (10) eine an der Oberseite (13) des Anschlussträgers (1) freiliegende, metallische Fläche bildet, - die Ausrichtstruktur (20) eine an der Montageseite (23) des Bauteils (2) freiliegende, metallische Fläche bildet.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Einfangstruktur (10) und/oder die Ausrichtstruktur (20) in Draufsicht gesehen eine geometrische Form mit einer n-zähligen Drehsymmetrie aufweisen, sodass das Bauteil (2) im Schritt C) n unterschiedliche Orientierungen bezüglich des Anschlussträgers (1) automatisch einnehmen kann, - die Verteilung der Anschlusselemente (11, 12) auf dem Anschlussträger (1) und/oder die Verteilung der Kontaktelemente (21, 22) auf dem Bauteil (2) eine entsprechende n-zählige Drehsymmetrie aufweisen, sodass in jeder der n unterschiedlichen Orientierungen die zur bestimmungsgemäßen Kontaktierung notwendigen Kontaktelemente (21, 22) des Bauteils (2) passenden Anschlusselementen (11, 12) des Anschlussträgers (1) gegenüberliegen.
- Verfahren nach
Anspruch 9 , wobei - der Anschlussträger (1) und/oder das Bauteil (2) eine oder mehrere redundante Anschlusselemente (11, 12) und/oder eine oder mehrere redundante Kontaktelemente (21, 22) aufweisen, - die redundanten Anschlusselemente (11, 12) und/oder die redundanten Kontaktelemente (21, 22) nach der automatischen Ausrichtung keinem Kontaktelement oder Anschlusselement gegenüberliegen. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , wobei die Einfangstruktur (10) und die Ausrichtstruktur (20) in Draufsicht jeweils eine geometrische Form ohne Drehsymmetrie aufweisen, sodass das Bauteil (2) im Schritt C) nur genau eine vorbestimmte Orientierung bezüglich des Anschlussträgers (1) automatisch einnehmen kann. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einfangstruktur (10) und/oder die Ausrichtstruktur (20) elektrisch isoliert sind von elektrisch funktionellen Komponenten des Anschlussträgers (1) und des Bauteils (2).
- Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis11 , wobei - ein Anschlusselement (11, 12) des Anschlussträgers (1) die Einfangstruktur (10) bildet oder aufweist, - ein Kontaktelement (21, 22) des Bauteils (2) die Ausrichtstruktur (20) bildet oder aufweist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt C) in einem Schritt D) die neben der Ausrichtstruktur (20) angeordneten Kontaktelemente (21, 22) mit den gegenüberliegenden, passenden Anschlusselementen (11, 12) über ein Lötmaterial (5) elektrisch leitend verbunden werden.
- Verfahren nach
Anspruch 14 , wobei das Lötmaterial (5) zwischen zumindest einem neben der Ausrichtstruktur (20) angeordneten Kontaktelement (21) und einem dazu passenden Anschlusselement (11) durch ein von der Benetzungsflüssigkeit (3) verschiedenes Lötmaterial (5) gebildet wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Anschlussträger (1) mit einer Mehrzahl von Bauteilen (2) bestückt wird, wobei - der Anschlussträger (1) für jedes Bauteil (2) eine eigene Einfangstruktur (10) aufweist, - jedes Bauteil (2) an einer Montageseite (23) eine Ausrichtstruktur (20) aufweist, wobei im Schritt C) - der Anschlussträger (1) und die Bauteile (2) in ein flüssiges Transportmedium (6) eingebracht werden, welches eine freie Bewegung der Bauteile (2) innerhalb des Transportmediums (6) zulässt, - die Bauteile (2) innerhalb des Transportmediums (6) entlang der lateralen Ausdehnung des Anschlussträgers (1) verteilt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - nach dem Schritt C) die Fläche der Einfangstruktur (10) vergrößert wird, sodass die Benetzungsflüssigkeit (3) die vergrößerte Fläche der Einfangstruktur (10) benetzt und dadurch der Abstand zwischen dem Bauteil (2) und dem Anschlussträger (1) automatisch reduziert wird.
- Vorrichtung (100), umfassend - einen Anschlussträger (1); - ein elektronisches Bauteil (2), wobei - der Anschlussträger (1) an einer Oberseite (13) eine Einfangstruktur (10) sowie ein oder mehrere daneben angeordnete Anschlusselemente (11, 12) aufweist, - das Bauteil (2) an einer Montageseite (23) eine Einfangstruktur (10) sowie ein oder mehrere daneben angeordnete Kontaktelemente (21, 22) aufweist, - die Ausrichtstruktur (20) und die Einfangstruktur (10) einander gegenüberliegen und miteinander über ein Benetzungsmaterial (3) verbunden sind, - die Kontaktelemente (21, 22) den dazu passenden Anschlusselementen (11, 12) gegenüberliegen und mit diesen über ein Lötmaterial (5) elektrisch verbunden sind, - die Ausrichtstruktur (20) und die Einfangstruktur (10) in Draufsicht gesehen konzentrische geometrische Formen mit einer n-zähligen Drehsymmetrie aufweisen, wobei n ≥ 1 gilt, - die Verteilung der Anschlusselemente (11, 12) auf dem Anschlussträger (1) und/oder die Verteilung der Kontaktelemente (21, 22) an der Montageseite (23) eine entsprechende n-zählige Drehsymmetrie aufweisen, sodass jede die Ausrichtstruktur (20) in sich selbst überführende Rotation des Bauteils (2) um m · 360°/n dazu führen würde, dass alle zur bestimmungsgemäßen elektrischen Kontaktierung des Bauteils (2) notwendigen Kontaktelemente (11, 12) passenden Anschlusselementen (21, 22) gegenüberliegen.
- Optoelektronisches Bauteil (2), umfassend - eine Montageseite (23), eine Ausrichtstruktur (20) zur Montage des Bauteils (2) und ein oder mehrere daneben angeordnete Kontaktelemente (21, 22) zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils (2), wobei - das Bauteil (2) im Bereich der Ausrichtstruktur (20) mit einer Benetzungsflüssigkeit (3) benetzbar ist, - das Bauteil (2) im Bereich der neben der Ausrichtstruktur (20) angeordneten Kontaktelemente (21, 22) mit der Benetzungsflüssigkeit (3) schlechter benetzbar ist als im Bereich der Ausrichtstruktur (20).
- Optoelektronisches Bauteil (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - die Ausrichtstruktur (20) in Draufsicht gesehen eine geometrische Form mit einer n-zähligen Drehsymmetrie aufweist, wobei n > 1, - die Verteilung der Kontaktelemente (21, 22) an der Montageseite (23) eine entsprechende n-zählige Drehsymmetrie aufweisen, sodass jede die Ausrichtstruktur (20) in sich selbstüberführende Rotation des Bauteils (2) um m · 360°/n dazu führt, dass alle Kontaktelemente (21, 22) in funktionsgleiche Kontaktelemente (21, 22) überführt werden.
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