DE102019132837A1 - Doppelseitiges kühlleistungsmodul und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
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- H01L2021/60022—Attaching or detaching leads or other conductive members, to be used for carrying current to or from the device in operation involving a soldering or an alloying process using bump connectors, e.g. for flip chip mounting
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- H01L2224/16227—Disposition the bump 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 bump connector connecting to a bond pad of the item
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- 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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- H01L2224/29—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
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- H01L2224/2929—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
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- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
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- 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
- H01L2224/32227—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 bond pad of the item
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
- H01L2224/331—Disposition
- H01L2224/3318—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
- H01L2224/33181—On opposite sides of the body
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- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73253—Bump and layer connectors
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- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73265—Layer and wire connectors
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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
- H01L2224/83—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 layer connector
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/8384—Sintering
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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
- H01L2224/83—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 layer connector
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
- H01L2224/83855—Hardening the adhesive by curing, i.e. thermosetting
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- H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
- H01L2224/92—Specific sequence of method steps
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- H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
- H01L2224/92—Specific sequence of method steps
- H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
- H01L2224/9222—Sequential connecting processes
- H01L2224/92222—Sequential connecting processes the first connecting process involving a bump connector
- H01L2224/92225—Sequential connecting processes the first connecting process involving a bump connector the second connecting process involving a layer connector
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- H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
- H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
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- H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
- H01L24/14—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of a plurality of bump connectors
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- H01L24/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/80—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
- H01L24/81—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
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/151—Die mounting substrate
- H01L2924/1515—Shape
- H01L2924/15153—Shape the die mounting substrate comprising a recess for hosting the device
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/181—Encapsulation
Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul, das ein unteres Substrat, das auf mindestens einer seiner Flächen einen vertieften Abschnitt aufweist, einen Halbleiterchip, der im vertieften Abschnitt ausgebildet ist, Leiterrahmen, die an beiden Enden des unteren Substrats ausgebildet sind, und ein oberes Substrat umfasst, das auf dem Halbleiterchip, auf zumindest einem Abschnitt der Leiterrahmen und auf dem unteren Substrat ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit.
Description
- QUERVERWEIS ZUR VERWANDTEN ANMELDUNG
- Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 5. Dezember 2018 eingereichten
koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2018-0155073 - HINTERGRUND
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul, das bei einem Wechselrichter für ein umweltfreundliches Fahrzeug (Hybridelektrofahrzeug, engl. Hybrid Electric Vehicle (HEV), Elektrofahrzeug, engl. Electric Vehicle (EV), Plug-in Hybridfahrzeug, engl. Plug In Hybrid Vehicle (PHEV), usw.) angewendet wird und auf das ein SiC-Element aufgebracht ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- Beschreibung des Standes der Technik
- Ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul, das bei einem Wechselrichter für ein umweltfreundliches Fahrzeug (HEV, EV, PHEV usw.) angewendet wird, kann die technischen Vorgaben erfüllen, wenn dabei eine Ausgestaltung angewendet wird, bei der mehrere SiC-Elemente einen Multichip bilden. Die mehreren SiC-Elemente werden unter Anwendung eines Drahtbondverfahrens angebracht. In diesem Fall haben die Einzelchips jeweils unterschiedliche Drahtlängen, was ein Problem hinsichtlich der parasitären Induktivität darstellt.
- Die Chipleistung wird bei einer Sperrschichttemperatur (Tj) eines SiC-Elements von 200°C oder mehr beibehalten, was die Modultechnologie nutzen muss. Herkömmlicherweise werden SiC-Elemente mit einem Lötverfahren verbunden. Da das Lot eine Schmelztemperatur zwischen 180°C und 220°C hat, tritt jedoch beim Lötverfahren eine vorzeitige Verschlechterung auf, wenn es bei hoher Temperatur verwendet wird.
- Da ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul durch Löten hergestellt wird, tritt außerdem aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten (engl. Coefficient of Thermal Expansion, CTE) zwischen den darin vorhandenen Materialien eine Wölbung auf, was zu einer hohen Ausfallrate des Moduls führt. Da ein Modul, bei dem SiC-Elemente aufgebracht sind, geringe Chipgrößen hat, besteht ein Problem darin, dass es einen Bereich zur Übertragung von Wärme zu einem oberen Substrat eines Chips aufweist, der kleiner ist als der Bereich bei einem Bipolartransistor mit integrierter Gate-Elektrode (engl. Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) mit größeren Chipgrößen, wodurch der thermische Widerstand steigt.
- KURZZUSAMMENFASSUNG
- Die vorliegende Erfindung wurde realisiert, um zahlreiche Probleme einschließlich der oben genannten Probleme zu lösen, wobei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul, bei dem eine Innenstruktur des Moduls für ein effizientes doppelseitiges Kühlen vereinfacht werden kann, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen. Die oben genannte Aufgabe ist jedoch beispielhaft, und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul bereitgestellt. Das doppelseitige Kühlleistungsmodul kann ein unteres Substrat, das auf mindestens einer seiner Flächen einen vertieften Abschnitt aufweist, einen Halbleiterchip, der im vertieften Abschnitt ausgebildet ist, Leiterrahmen, die an beiden Enden des unteren Substrats ausgebildet sind, und ein oberes Substrat, das auf dem Halbleiterchip, auf zumindest einem Abschnitt der Leiterrahmen und auf dem unteren Substrat ausgebildet ist, umfassen.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul kann der vertiefte Abschnitt ausgebildet werden, indem zumindest ein Abschnitt einer Oberseite des unteren Substrats so bearbeitet wird, dass er eine Abstufung aufweist, so dass der Halbleiterchip nicht zur Oberseite des unteren Substrats hervorsteht.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul kann ein Innenraum zwischen dem vertieften Abschnitt und dem Halbleiterchip mit einer Unterfüllung gefüllt sein.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul können beide Enden des unteren Substrats so bearbeitet sein, dass sie eine Abstufung aufweisen, so dass die Leiterrahmen nicht zur Oberseite des unteren Substrats hervorstehen.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul kann der Halbleiterchip unter Verwendung eines leitenden Klebstoffs mit der Oberseite des unteren Substrats und mit der Unterseite des oberen Substrats verbunden sein.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul kann der Halbleiterchip ein SiC-MOSFET-Element umfassen.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul können beide Enden der Unterseite des oberen Substrats so bearbeitet sein, dass sie eine Abstufung aufweisen.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul können beide Enden des unteren Substrats und beide Enden des oberen Substrats miteinander verbunden sein, indem ein nicht leitender Klebstoff darauf aufgetragen wird.
- Bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul kann ein Formabschnitt vorgesehen sein, der so ausgebildet ist, dass er Außenumfangsflächen des unteren Substrats, der Leiterrahmen und des oberen Substrats umgibt, wobei zumindest ein Abschnitt der Leiterrahmen außerhalb des Formabschnitts hervorstehen kann.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines doppelseitigen Kühlleistungsmoduls bereitgestellt. Das Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls kann folgende Prozesse umfassen: Ausbilden eines vertieften Abschnitts auf mindestens einer Fläche eines unteren Substrats; Ausbilden eines Halbleiterchips in dem vertieften Abschnitt; Ausbilden von Leiterrahmen an beiden Enden des unteren Substrats; und Ausbilden eines oberen Substrats auf dem Halbleiterchip, auf zumindest einem Abschnitt der Leiterrahmen und auf dem unteren Substrat.
- Bei dem Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls kann der vertiefte Abschnitt so bearbeitet werden, dass er eine Abstufung aufweist, so dass der Halbleiterchip nicht zu einer Oberseite des unteren Substrats hervorsteht, und der Prozess, bei dem der Halbleiterchip ausgebildet wird, kann folgende Prozesse umfassen: Auftragen eines leitenden Klebstoffs auf eine Unterseite des Halbleiterchips und dann Verbinden des Halbleiterchips im vertieften Abschnitt; und Füllen eines Innenraums zwischen dem vertieften Abschnitt und dem Halbleiterchip mit einer Unterfüllung.
- Bei dem Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls kann der Prozess, bei dem die Leiterrahmen ausgebildet werden, folgende Prozesse umfassen: Bearbeiten beider Enden des unteren Substrats, so dass sie eine Abstufung aufweisen und die Leiterrahmen nicht zur Oberseite des unteren Substrats hervorstehen, bevor die Leiterrahmen mit beiden Enden des unteren Substrats verbunden werden; und Verbinden der Leiterrahmen an beiden Enden des abgestuften unteren Substrats unter Anwendung eines Sinterverfahrens oder eines Ultraschallschweißverfahrens.
- Bei dem Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls kann der Prozess, bei dem das obere Substrat ausgebildet wird, folgende Prozesse umfassen: Auftragen eines leitenden Klebstoffs auf die Oberseite des Halbleiterchips; Auftragen eines nicht leitenden Klebstoffs auf das untere Substrat und auf die Leiterrahmen mit Ausnahme von der Oberseite des Halbleiterchips; Auftragen eines nicht leitenden Klebstoffs auf beide Enden einer Unterseite des oberen Substrats; und Anordnen des unteren Substrats und des oberen Substrats, auf die der nicht leitende Klebstoff aufgetragen ist, einander gegenüber und dann Verbinden des unteren Substrats und des unteren Substrats.
- Bei dem Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls kann vor dem Prozess, bei dem der nicht leitende Klebstoff auf beide Enden der Unterseite des oberen Substrats aufgetragen wird, ein Prozess zum Bearbeiten beider Enden der Unterseite des oberen Substrats, so dass sie eine Abstufung aufweisen, vorgesehen sein.
- Bei dem Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls kann nach dem Prozess zum Ausbilden des oberen Substrats ein Prozess vorgesehen sein, bei dem ein Formabschnitt so ausgebildet wird, dass er Außenumfangsflächen des unteren Substrats, der Leiterrahmen und des oberen Substrats umgibt, wobei zumindest ein Abschnitt der Leiterrahmen außerhalb des Formabschnitts hervorstehen kann.
- Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben ausgestaltet ist, kann ein großer Reduktionseffekt hinsichtlich des schnellen Schaltens eines SiC-MOSFETs des Multichips durch Anpassung der Strompfade und Reduzierung der Widerstandskomponenten erreicht werden, kann die Chiptemperatur oberhalb von 200°C verwendet werden, wodurch ein Kühlsystem eines Hybrid-Elektrofahrzeugs verkleinert wird, kann die thermische Verformung aufgrund unterschiedlicher Moduldicken und thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Materialien durch Pressen, Erwärmen und Verbinden mit zwei Flachpressen minimiert werden, und kann der thermische Widerstand im Vergleich zu einem herkömmlichen IGBT-Modul gesenkt werden, so dass die Wärme im Inneren des Chips schneller abgegeben werden kann, wodurch das Kühlsystem weniger belastet wird.
- Darüber hinaus ist es möglich, ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul, das aufgrund einer Sinterverbindung mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit eine andere Wärmeableitungsstrecke als ein Abstandshalter aufweist und dadurch eine effiziente Wärmeableitung ermöglicht, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu realisieren. Es sollte auch zu verstehen sein, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die oben genannten Effekte begrenzt ist.
- Figurenliste
-
-
1 bis13 sind Querschnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines doppelseitigen Kühlleistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge einer Prozessabfolge schematisch veranschaulichen. -
14 ist eine Querschnittansicht, die ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul gemäß einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
- Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch zu verstehen sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und in vielen verschiedenen Formen implementiert werden kann und die nachfolgenden Ausführungsformen bereitgestellt werden, um die Offenbarung der vorliegenden Erfindung zu vervollständigen und dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig zu vermitteln. Zur Vereinfachung der Beschreibung können darüber hinaus die Größen der Bauteile in den Figuren übertrieben oder verkleinert dargestellt sein.
- Nachfolgend werden mit Bezug auf die
1 bis13 Probleme, die sich aus einer Struktur und aus Prozessen eines doppelseitigen Kühlleistungsmoduls ergeben, sowie Lösungen dazu beschrieben. - Zunächst ist
14 eine Querschnittansicht, die ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul gemäß einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. Das doppelseitige Kühlleistungsmodul2000 kann ein unteres Substrat100 , einen Halbleiterchip200 , Leiterrahmen300 , einen Abstandshalter400 , ein oberes Substrat500 und einen Formabschnitt600 umfassen. - Für das untere Substrat
100 und das obere Substrat500 wird z.B. ein aktives hartgelötetes Kupfersubstrat (engl. Active Metal Copper, AMC) oder ein direkt verbundenes Kupfersubstrat (engl. Direct Bonded Copper, DBC) verwendet. Der Halbleiterchip200 zum Antreiben eines Motors eines Hybridfahrzeugs wird zunächst unter Verwendung einer ersten Lötvorform802 durch Löten mit dem unteren Substrat100 verbunden. Der Halbleiterchip200 weist hier eine Oberseite als Emitter und eine Unterseite als Kollektor auf und wird so betrieben, dass der Strom vom Kollektor zum Emitter fließt. Eine Diode arbeitet auch in ähnlicher Weise. - Danach werden die Leiterrahmen
300 auf dem unteren Substrat100 ausgebildet, und der Halbleiterchip200 und einer der Leiterrahmen300 werden durch Drahtbonden miteinander verbunden. Anschließend wird der Abstandshalter400 unter Verwendung einer zweiten Lötvorform804 durch Löten auf dem Halbleiterchip200 verbunden und das obere Substrat500 unter Verwendung einer dritten Lötvorform806 durch Löten auf dem Abstandshalter400 verbunden, die dann mit dem Formabschnitt600 eingekapselt wird, um eine Gesamtstruktur zu bilden. - Andererseits kann z.B. ein Metall mit ausgezeichneter Leitfähigkeit wie Kupfer (Cu) für den Abstandshalter
400 verwendet werden, und der Abstandshalter400 hat die Funktion, einen Abstand zwischen dem unteren Substrat100 und dem oberen Substrat500 aufrechtzuerhalten, um einen Draht900 zu schützen, der den Halbleiterchip200 und eine erste externe Leitung310 elektrisch verbindet. - Die oben erwähnte Struktur verursacht folgende Probleme. Mehrere Halbleiterchips
200 verwenden z.B. SiC-Elemente und werden mit einem Drahtbondverfahren angebracht. In diesem Fall hat jeder Halbleiterchip200 eine unterschiedliche Drahtlänge, was ein Problem hinsichtlich parasitärer Induktivität verursacht. Darüber hinaus wird die Chipleistung bei einer Sperrschichttemperatur Tj eines SiC-Elements von 200°C oder mehr aufrechterhalten, was von der Modultechnologie genutzt werden muss. Herkömmlicherweise wird der Halbleiterchip200 durch Löten verbunden. Da das Lot jedoch einen Schmelzpunkt von 180°C bis 220°C hat, kommt es beim Lötverfahren bei dessen Verwendung bei hoher Temperatur zu einer vorzeitigen Verschlechterung. - Da das doppelseitige Kühlleistungsmodul
2000 durch Löten hergestellt wird, kommt es darüber hinaus aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen den darin enthaltenen Materialien zu einer Wölbung, was zu einer hohen Ausfallrate des Moduls führt. Da ein Modul, auf das SiC-Elemente aufgebracht sind, kleine Chipgrößen hat, besteht ein Problem darin, dass es eine Fläche zur Übertragung von Wärme zu einem oberen Substrat eines Chips aufweist, die kleiner ist als die eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT) mit größeren Chipgrößen, wodurch der thermische Widerstand erhöht wird. - Zur Lösung der Probleme werden durch die vorliegende Erfindung ein doppelseitiges Kühlleistungsmodul, bei dem die Innenstruktur des Moduls vereinfacht ist, die Leistung des Moduls aufgrund einer robusten Struktur verbessert ist, eine Struktur bereitgestellt wird, bei der eine Kühlung auf beiden Seiten des Moduls möglich ist, eine Wärmeableitungsfläche dazu ausgelegt ist, isoliert zu werden, und ein Verbindungskontakt vorgesehen ist, so dass ein Leistungsanschluss und ein Signalanschluss eines Chips mit einer externen Steuerplatine des Moduls verbunden werden können, wodurch eine ausgezeichnete Kühleffizienz erreicht wird, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitgestellt.
- Die
1 bis13 sind Querschnittsansichten, die schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines doppelseitigen Kühlleistungsmoduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge eines Prozessablaufs davon veranschaulichen. - Bezugnehmend auf
13 kann zunächst das doppelseitige Kühlleistungsmodul1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein unteres Substrat100 , das einen vertieften Abschnitt110 auf mindestens einer seiner Flächen aufweist, einen Halbleiterchip200 , der im vertieften Abschnitt110 ausgebildet ist, Leiterrahmen300 , die an beiden Enden des unteren Substrats100 ausgebildet sind, und ein unteres Substrat500 , das auf dem Halbleiterchip200 , auf zumindest einem Abschnitt der Leiterrahmen300 und auf dem unteren Substrat100 ausgebildet ist, umfassen. - Hier kann der vertiefte Abschnitt
110 ausgebildet werden, indem zumindest ein Abschnitt der Oberseite des unteren Substrats100 so bearbeitet wird, dass er eine Abstufung aufweist, so dass der Halbleiterchip200 nicht zur Oberseite des unteren Substrats100 hervorsteht. Cu-Verdrahtungen können auf Oberseiten des vertieften Abschnitts110 und des unteren Substrats100 ausgebildet werden. Bei der Stufenbearbeitung kann der Halbleiterchip200 so ausgebildet werden, dass er nicht zur Oberseite des unteren Substrats100 hervorsteht. Es ist jedoch vorzuziehen, eine Struktur bereitzustellen, in der verbundene Abschnitte des Halbleiterchips200 so ausgebildet werden, dass sie nicht über das untere Substrat100 hervorstehen. In diesem Fall kann eine Oberseite des Halbleiterchips200 entsprechend der Höhe von Cu-Bondstellen höher als die Oberseite des unteren Substrats100 ausgebildet werden. - Andererseits kann der Halbleiterchip
200 z.B. SiC-MOSFET-Elemente umfassen. Im Halbleiterchip200 können Cu-Bondstellen220 auf Gate- und Source-Elektroden-Bondinseln210 ausgebildet werden, und erste leitende Klebstoffe810 können darauf laminiert und verbunden werden. Es ist z.B. möglich, einen Ag-Film oder eine Ag-Paste für den ersten leitenden Klebstoff810 zu verwenden. - Zu diesem Zeitpunkt wird ein Innenraum zwischen dem vertieften Abschnitt
110 und dem Halbleiterchip200 mit einer Unterfüllung120 gefüllt. Es kann z.B. ein Harz wie Epoxid oder dergleichen für ein Material der Unterfüllung120 verwendet werden. - Zusätzlich können beide Enden des unteren Substrats
100 so bearbeitet werden, dass sie eine Abstufung aufweisen, so dass die Leiterrahmen300 nicht zur Oberseite des unteren Substrats100 hervorstehen. Die Leiterrahmen300 sind an beiden abgestuften Enden so ausgebildet, dass sie als Leistungsanschluss und Signalanschluss fungieren. Nach dem Ausbilden der Leiterrahmen300 ist es möglich, einen nicht leitenden Klebstoff auf einen Bereich aufzutragen, der eine Isolierung erfordert (an beiden Enden des unteren Substrats100 ), einen nicht leitenden Klebstoff entsprechend dem Bereich auf beide Enden einer Unterseite des oberen Substrats500 aufzutragen und diese dann einander gegenüberliegend zu verbinden. Hier können wahlweise beide Enden der Unterseite des oberen Substrats500 in einer abgestuften Form verbunden werden, um die Verbindung mit dem Halbleiterchip200 zu erhöhen, und ein leitender Klebstoff wird auf die Oberseite des Halbleiterchips200 aufgetragen, um das untere Substrat100 und das obere Substrat500 miteinander zu verbinden. In diesem Fall wird die Oberseite des Halbleiterchips200 unter Verwendung eines zweiten leitenden Klebstoffs820 direkt mit der Unterseite des oberen Substrats500 verbunden, so dass auf einen herkömmlich verwendeten Abstandshalter verzichtet werden kann. - Andererseits ist ein Formabschnitt
600 vorgesehen, der so geformt ist, dass er Außenumfangsflächen des unteren Substrats100 , der Leiterrahmen300 und des oberen Substrats500 umgibt, wobei zumindest ein Abschnitt der Leiterrahmen300 außerhalb des Formabschnitts600 hervorstehen kann. - Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls
1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der1 bis13 ausführlich beschrieben. - Bezugnehmend auf
1 und2 kann bei dem Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der vertiefte Abschnitt110 auf mindestens einer Oberfläche des unteren Substrats100 ausgebildet werden. Dabei weist das untere Substrat100 ein direkt gebundenes Kupfersubstrat (DBC-Substrat) auf, und das DBC-Substrat weist eine Keramikschicht104 zwischen einer ersten Metallschicht102 und einer zweiten Metallschicht106 auf. - Der vertiefte Abschnitt
110 wird auf mindestens einer Oberfläche des vorbereiteten unteren Substrats100 ausgebildet, z.B. auf der Oberseite des unteren Substrats100 . Der vertiefte Abschnitt110 wurde so bearbeitet, dass er eine Abstufung aufweist, so dass der Halbleiterchip (200 in3 gezeigt), der später verbunden wird, nicht zur Oberseite des unteren Substrats100 hervorsteht. Entsprechend einer Dicke des unteren Substrats100 oder einer Dicke der zweiten Metallschicht106 kann der vertiefte Abschnitt110 jedoch so bearbeitet werden, dass er eine Abstufung aufweist und eine Höhe hat, bei der die verbundenen Abschnitte des Halbleiterchips200 , die in3 gezeigt sind, nicht dahin hervorstehen. - Danach kann, wie in
3 gezeigt, der Halbleiterchip200 in dem vertieften Abschnitt110 ausgebildet werden. Der Halbleiterchip200 hat eine Struktur, bei der die Bondstellen220 auf den Bondinseln210 ausgebildet und durch Flip-Chip-Verbinden mit dem vertieften Abschnitt110 verbunden werden. In diesem Fall werden die Bondflächen der Bondstellen220 mittels einer leitenden Paste oder eines leitenden Films verbunden. Nachdem das Verbinden abgeschlossen ist, wird die Unterfüllung120 wie in4 gezeigt in den Innenraum zwischen dem vertieften Abschnitt110 und dem Halbleiterchip200 gefüllt. - Wie in
5 gezeigt, werden die ersten Abstufungen130 an den Positionen ausgebildet, an denen die in6 gezeigten Leiterrahmen300 ausgebildet werden. Die ersten Abstufungen130 können so bearbeitet werden, dass sie an beiden Enden des unteren Substrats100 so gestuft sind, dass die in6 gezeigten Leiterrahmen300 nicht zur Oberseite des unteren Substrats100 hervorstehen. Danach können, wie in6 gezeigt, die Leiterrahmen300 mit einem Sinterverfahren oder einem Ultraschallschweißverfahren mit den ersten Abstufungen130 verbunden werden. - Bezugnehmend auf
7 kann nach dem Verbinden der Leiterrahmen300 der zweite leitende Klebstoff820 auf die Oberseite des Halbleiterchips200 aufgetragen und ein erster nicht leitender Klebstoff830 aufgetragen werden, um die Oberseite des unteren Substrats100 , auf das der zweite leitende Klebstoff820 nicht aufgetragen ist, und zumindest einen Abschnitt der Leiterrahmen300 zu isolieren. - Andererseits kann das obere Substrat
500 bezugnehmend auf die8 bis10 den gleichen Substrattyp wie das untere Substrat100 verwenden und mit einer Keramikschicht504 zwischen einer ersten Metallschicht502 und einer zweiten Metallschicht506 versehen werden. Ein zweiter nicht leitender Klebstoff840 kann auf die Unterseite des vorbereiteten oberen Substrats500 , d.h. auf beide Enden der ersten Metallschicht502 aufgetragen werden, so dass er dem ersten nicht leitenden Klebstoff830 entsprechen kann, der auf beide Enden des unteren Substrats100 im gleichen Bereich aufgetragen wird. Dabei können der erste nicht leitende Klebstoff830 und der zweite nicht leitende Klebstoff840 identisch sein. - Optional können vor dem Aufbringen des zweiten nicht leitenden Klebstoffs
840 auf beide Enden der Unterseite des oberen Substrats500 zweite Abstufungen530 an beiden Enden der ersten Metallschicht502 des oberen Substrats500 ausgebildet werden. Die zweiten Abstufungen530 werden nicht zwangsläufig ausgebildet, es ist jedoch zu verstehen, dass eine Teilverarbeitung zur Bildung der Abstufungen durchgeführt wird, um die Verbindungseigenschaften von mit dem Halbleiterchip200 verbundenen Abschnitten zu verbessern. - Bezugnehmend auf die
11 und12 können anschließend das untere Substrat100 , auf das der erste nicht leitende Klebstoff830 aufgetragen ist, und das obere Substrat500 , auf das der zweite nicht leitende Klebstoff840 aufgetragen ist, so angeordnet werden, dass sie einander zugewandt sind, wobei dann das untere Substrat100 und das obere Substrat500 miteinander verbunden werden können. In diesem Fall werden Heizblöcke700 auf einer Unterseite der ersten Metallschicht102 des unteren Substrats100 und auf einer Oberseite der zweiten Metallschicht506 des oberen Substrats500 angeordnet und dann durch Aufbringen einer Kraft in Pfeilrichtung thermisch komprimiert, wobei das obere Substrat500 thermisch komprimiert und mit dem Halbleiterchip200 , mindestens einem Abschnitt der Leiterrahmen300 und dem unteren Substrat100 verbunden werden kann. - Hier wird der Halbleiterchip
200 durch Sintern über den zweiten leitenden Klebstoff820 verbunden, und die Aushärtungsreaktion des Klebstoffs erfolgt in dem isolierten Bereich, in dem der erste nicht leitende Klebstoff830 und der zweite nicht leitende Klebstoff840 aufgebracht sind, wobei die Oberseite des Halbleiterchips200 über den zweiten leitenden Klebstoff820 direkt mit der Unterseite des oberen Substrats500 verbunden wird, so dass ein herkömmlich verwendeter Abstandshalter entfallen kann. - Wie in
13 gezeigt, wird nach dem Verbinden des oberen Substrats500 der Formabschnitt600 so ausgebildet, dass er die Außenumfangsflächen des unteren Substrats100 , der Leiterrahmen300 und des oberen Substrats500 so umgibt, dass zumindest ein Abschnitt der Leiterrahmen300 aus dem Formabschnitt600 hervorsteht, wodurch das doppelseitige Kühlleistungsmodul1000 mit einer vereinfachten Innenstruktur hergestellt werden kann, die bei einem Wechselrichter für ein umweltfreundliches Fahrzeug anwendbar ist. - Hier kann z.B. ein Polymermaterial mit hervorragenden Isolier- und Schutzeigenschaften wie Epoxid-Formmasse (EMC) oder Material auf Polyimidbasis für den Formabschnitt
600 verwendet werden. Der Formabschnitt600 kann alle Bereiche mit Ausnahme der Bereiche, in denen die Leiterrahmen300 , die Unterseite des unteren Substrats100 und die Oberseite des oberen Substrats500 freiliegen, verkapseln. Da die obige Struktur keinen Abstandshalter verwendet, können Bereiche zwischen Rändern des Moduls und den Leistungs- und Signalanschlüssen auf einfache Weise isoliert und befestigt werden, ohne die zwischen dem unteren Substrat100 und dem oberen Substrat500 gebildeten Lücken mit dem Formabschnitt600 zu füllen. - Auch wenn dies nicht in den Figuren gezeigt ist, kann schließlich nach dem Ausbilden des Formabschnitts
600 zumindest ein Abschnitt der Leiterrahmen300 beschnitten werden. Nachdem unnötige Abschnitte der Leiterrahmen300 beschnitten wurden, kann das Modul eine Form haben, bei der nur die Signalanschlüsse und die Leistungsanschlüsse aus dem Formabschnitt600 hervorstehen. - Wie oben beschrieben, kann bei dem doppelseitigen Kühlleistungsmodul gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Abstandshalter durch Flip-Chip-Verbinden von SiC-Elementen unter Verwendung von Ag-Bondstellen und Cu-Mustern anstelle von AI-Draht-Bonden entfallen, und der Formabschnitt zwischen dem unteren DBC-Substrat und dem oberen DBC-Substrat kann reduziert oder entfallen, wodurch hervorragende Wärmeableitungseigenschaften bereitgestellt werden.
- Darüber hinaus kann eine resistiv-kapazitive (RC) Verzögerung durch das Drahtbonden reduziert werden, die Chip-Leistung wird auch bei einer hohen Temperatur von 200°C oder höher beibehalten und das Wölben der Substrate während des Formprozesses kann kontrolliert werden. Da das Innere des Moduls vollständig mit Material gefüllt ist, selbst wenn thermischer Druck von oben und unten auf das Modul ausgeübt wird, beeinflussen Temperatur- und Druckverteilungen gleichmäßig die gesamte Fläche, ohne sich auf den Chip zu konzentrieren, wobei so der Formprozess gleichmäßig durchgeführt werden kann.
- Außerdem wird das Modul herkömmlicherweise durch Löten mit einem darin angeordneten Abstandshalter aus Metall verbunden. Dementsprechend werden Lötschichten mit hohen thermischen Widerständen darauf aufgetragen, was zu einer Begrenzung bei der Reduzierung seiner Dicke führt. Da die Cu-Schichten vergleichsweise dicker ausgebildet sein können als die im IGBT-Modul und dabei die Dicke reduziert wird, ist jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung ein effizientes Kühlen möglich, indem eine Wärmediffusionsgeschwindigkeit in einer lateralen Richtung des Chips erhöht wird.
- Auch wenn die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte zu verstehen sein, dass sie lediglich beispielhaft sind und der Fachmann auf der Basis des Vorhergehenden verschiedene Änderungen und weitere dazu gleichwertige Ausführungsformen durchführen kann. Der tatsächliche technische Umfang der vorliegenden Erfindung ist daher anhand des technischen Gedankens der beigefügten Ansprüche zu definieren.
- Bezugszeichenliste
-
- 100
- unteres Substrat
- 110
- vertiefter Abschnitt
- 120
- Unterfüllung
- 130
- erste Abstufung
- 102, 502
- erste Metallschicht
- 104, 504
- Keramikschicht
- 106, 506
- zweite Metallschicht
- 200
- Halbleiterchip
- 210
- Bondinsel
- 220
- Cu-Bondstelle
- 300
- Leiterrahmen
- 400
- Abstandshalter
- 500
- oberes Substrat
- 530
- zweite Abstufung
- 600
- Formabschnitt
- 700
- Heizblock
- 802
- erste Lotvorform
- 804
- zweite Lotvorform
- 806
- dritte Lotvorform
- 810
- erster leitender Klebstoff
- 820
- zweiter leitender Klebstoff
- 830
- erster nicht leitender Klebstoff
- 840
- zweiter nicht leitender Klebstoff
- 900
- Draht
- 1000, 2000
- doppelseitiges Kühlleistungsmodul
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- KR 1020180155073 [0001]
Claims (15)
- Doppelseitiges Kühlleistungsmodul, das Folgendes umfasst: ein unteres Substrat, das auf mindestens einer seiner Flächen einen vertieften Abschnitt aufweist; einen Halbleiterchip, der im vertieften Abschnitt ausgebildet ist; Leiterrahmen, die an beiden Enden des unteren Substrats ausgebildet sind; und ein oberes Substrat, das auf dem Halbleiterchip, auf zumindest einem Abschnitt der Leiterrahmen und auf dem unteren Substrat ausgebildet ist.
- Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach
Anspruch 1 , wobei der vertiefte Abschnitt ausgebildet wird, indem zumindest ein Abschnitt einer Oberseite des unteren Substrats so bearbeitet wird, dass er eine Abstufung aufweist, so dass der Halbleiterchip nicht zur Oberseite des unteren Substrats hervorsteht. - Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach
Anspruch 1 oder2 , wobei ein Innenraum zwischen dem vertieften Abschnitt und dem Halbleiterchip mit einer Unterfüllung gefüllt ist. - Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Enden des unteren Substrats so bearbeitet sind, dass sie eine Abstufung aufweisen, so dass die Leiterrahmen nicht zur Oberseite des unteren Substrats hervorstehen.
- Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip unter Verwendung eines leitenden Klebstoffs mit der Oberseite des unteren Substrats und mit der Unterseite des oberen Substrats verbunden ist.
- Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip ein SiC-MOSFET-Element umfasst.
- Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Enden der Unterseite des oberen Substrats so bearbeitet sind, dass sie eine Abstufung aufweisen.
- Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Enden des unteren Substrats und beide Enden des oberen Substrats miteinander verbunden sind, indem ein nicht leitender Klebstoff darauf aufgetragen wird.
- Doppelseitiges Kühlleistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Formabschnitt aufweist, der so ausgebildet ist, dass er Außenumfangsflächen des unteren Substrats, der Leiterrahmen und des oberen Substrat umgibt, wobei zumindest ein Abschnitt der Leiterrahmen außerhalb des Formabschnitts hervorsteht.
- Verfahren zur Herstellung eines doppelseitigen Kühlleistungsmoduls, das folgende Prozesse umfasst: Ausbilden eines vertieften Abschnitts auf mindestens einer Fläche eines unteren Substrats; Ausbilden eines Halbleiterchips in dem vertieften Abschnitt; Ausbilden von Leiterrahmen an beiden Enden des unteren Substrats; und Ausbilden eines oberen Substrats auf dem Halbleiterchip, auf zumindest einem Abschnitt der Leiterrahmen und auf dem unteren Substrat.
- Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls nach
Anspruch 10 , wobei der vertiefte Abschnitt so bearbeitet wird, dass er eine Abstufung aufweist, so dass der Halbleiterchip nicht zu einer Oberseite des unteren Substrats hervorsteht, und der Prozess, bei dem der Halbleiterchip ausgebildet wird, folgende Prozesse umfasst: Auftragen eines leitenden Klebstoffs auf eine Unterseite des Halbleiterchips und dann Verbinden des Halbleiterchips im vertieften Abschnitt; und Füllen eines Innenraums zwischen dem vertieften Abschnitt und dem Halbleiterchip mit einer Unterfüllung. - Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls nach
Anspruch 10 oder11 , wobei der Prozess, bei dem die Leiterrahmen ausgebildet werden, folgende Prozesse umfasst: Bearbeiten beider Enden des unteren Substrats, so dass sie eine Abstufung aufweisen und die Leiterrahmen nicht zur Oberseite des unteren Substrats hervorstehen, bevor die Leiterrahmen mit beiden Enden des unteren Substrats verbunden werden; und Verbinden der Leiterrahmen an beiden Enden des abgestuften unteren Substrats unter Anwendung eines Sinterverfahrens oder eines Ultraschallschweißverfahrens. - Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls nach einem der
Ansprüche 10 bis12 , wobei der Prozess, bei dem das obere Substrat ausgebildet wird, folgende Prozesse umfasst: Auftragen eines leitenden Klebstoffs auf die Oberseite des Halbleiterchips; Auftragen eines nicht leitenden Klebstoffs auf das untere Substrat und auf die Leiterrahmen mit Ausnahme von der Oberseite des Halbleiterchips; Auftragen eines nicht leitenden Klebstoffs auf beide Enden einer Unterseite des oberen Substrats; und Anordnen des unteren Substrats und des oberen Substrats, auf die der nicht leitende Klebstoff aufgetragen ist, einander gegenüber und dann Verbinden des unteren Substrats und des unteren Substrats. - Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls nach einem der
Ansprüche 10 bis13 , das ferner vor dem Prozess, bei dem der nicht leitende Klebstoff auf beide Enden der Unterseite des oberen Substrats aufgetragen wird, einen Prozess zum Bearbeiten beider Enden der Unterseite des oberen Substrats umfasst, so dass sie eine Abstufung aufweisen. - Verfahren zur Herstellung des doppelseitigen Kühlleistungsmoduls nach einem der
Ansprüche 10 bis14 , das ferner nach dem Prozess zum Ausbilden des oberen Substrats einen Prozess umfasst, bei dem ein Formabschnitt so ausgebildet wird, dass er Außenumfangsflächen des unteren Substrats, der Leiterrahmen und des oberen Substrats umgibt, wobei zumindest ein Abschnitt der Leiterrahmen außerhalb des Formabschnitts hervorsteht.
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