EP2382654A1 - Hochtemperaturbeständige lötmittelfreie bauelementstruktur und verfahren zum elektrischen kontaktieren - Google Patents

Hochtemperaturbeständige lötmittelfreie bauelementstruktur und verfahren zum elektrischen kontaktieren

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EP2382654A1
EP2382654A1 EP09799060A EP09799060A EP2382654A1 EP 2382654 A1 EP2382654 A1 EP 2382654A1 EP 09799060 A EP09799060 A EP 09799060A EP 09799060 A EP09799060 A EP 09799060A EP 2382654 A1 EP2382654 A1 EP 2382654A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
intermediate layer
layer
layers
component
metal layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09799060A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Wolde-Giorgis
Martin Rittner
Alfred Goerlach
Thomas Kalich
Michael Guenther
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2382654A1 publication Critical patent/EP2382654A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Definitions

  • the invention relates to a method for producing electrical contacts to components as well as a component structure with solder-free and high-temperature resistant contact points.
  • Electrical components comprise an acting component and connecting elements, with which the acting component can be contacted from the outside.
  • solder is used to make electrical contacts in circuits and devices.
  • the soft solder used for this purpose has a low melting point so as not to destroy the functional component of the component during soldering.
  • the low melting point means that the soldered circuit can only be used in a temperature range which is significantly below the melting temperature of the solder material.
  • some brazing materials are lead alloys, so environmental considerations must also be taken into account when it comes to disposal. For this purpose, environmental standards such as RoHS have already been developed, which in principle exclude leaded solders.
  • a housing that protects the top of the chip which is usually provided by molded housing mass is missing.
  • this material combination and structure leads to strong mechanical stresses, especially on the chip. This results in a higher temperature sensitivity, especially with strong and frequent temperature fluctuations, and thus a high failure rate.
  • the different thermal expansion coefficients lead to a relatively low maximum temperature, at which a further increase leads to undesirably high mechanical stresses between the chip and the surrounding structure. This limits the range of application at high temperatures.
  • the invention enables use at high temperatures and with large temperature fluctuations and also reduces mechanical stresses between the component and the contact structures connected thereto.
  • the inventive construction allows the processing of electronic components or electrical components, without exposing them to high forces during contact.
  • the intermediate layers allow a symmetrical contacting and thus a bilateral embedding of the component in a deformable layer which, in the case of the contacting process provided by pressure, is produced by plastic (and partly elastic) deformation. takes and thus protects in particular brittle components from excessive mechanical stress.
  • the intermediate layers arranged on both sides protect the component against strong forces, which result at higher temperatures and at high temperature fluctuations.
  • the component By means of the deformable intermediate layers, the component is fixed "floating", so that mechanical buffers are provided on both sides of the component through the respective intermediate layer, whose deformation significantly reduces the deformation of the component due to deformation
  • the pores formally increase the deformability, so that even at low temperatures and low forces the intermediate layer penetrates through the pores, which in turn provides for the formation of deformations Deformation protects the intermediate electrical or electronic component.
  • the invention is thus implemented by a component structure comprising: an electrical or electronic component having an upper contact surface on an upper side of the component and a lower contact surface on a lower side of the component.
  • the component is preferably in the form of a flat shape, for example as a semiconductor die, for example a section of a divided silicon wafer.
  • this requires a bearing with low mechanical stress, since the thickness is thin relative to the cross-sectional area, and the material itself hardly shows any elastic properties, or can be destroyed by breakage even at low mechanical deformations.
  • the invention relates to components designed as semiconductor wafers (or a separated part thereof).
  • the structure of the invention is also suitable for substrate-bonded circuits, Dickf ⁇ lmscariaen or Dünnf ⁇ lmscariaen, which are also formed flat and due to their thin design and the associated material properties at low deformations also run the risk of being destroyed.
  • the component preferably comprises only one upper contact surface and only one lower contact surface or a plurality of upper and lower contact surfaces, which are each directly electrically connected to one another or can be electrically connected directly to one another without negatively influencing the operation of the circuit.
  • the device structure further comprises an upper metal layer and a lower metal layer, as well as an upper porous intermediate layer and a lower porous intermediate layer.
  • the intermediate layer serves, on the one hand, for contacting the respective side of the component and, on the other hand, for connection to the metal layer.
  • a porous intermediate layer is always provided between a respective side of the component and a metal layer.
  • the intermediate layer connects the respective metal layer and the respective contact surface of the component mechanically and electrically conductive (ie galvanically). This results in a substantially symmetrical structure, in which the component is located in the middle and the opposite contact surfaces of the device are connected to the intermediate layer, which in turn each contacted a more outer metal layer.
  • the respective (i.e., the upper or lower) intermediate layer may be directly connected to the respective metal layer (i.e., upper or lower).
  • the compound may also be provided via a surface coating.
  • the surface coating is preferably applied on the side of the metal layer facing the respective intermediate layer.
  • the upper metal layer may be connected to the upper intermediate layer as the lower intermediate layer is bonded to the lower metal layer, or the metal layers may be connected in different ways to the associated intermediate layer.
  • a surface coating of a metal layer i.e., the lower or the upper
  • both metal layers may be provided with a surface coating.
  • the surface coating is attached to the inside of the respective metal layer, i. on the side of the metal layer facing the intermediate layer and also the device.
  • the material of the surface coating may include Au, Ag, Ni, Pt, Pd, alloys of these elements, NiP, or a combination.
  • NiP has a phosphorus content of less than 10%, less than 6%, less than 3% or less than 2% by weight, and a phosphorus content of more than 1% by weight.
  • the phosphorus content may be greater than 0.5% or greater than 0.1% by weight.
  • the contact surfaces of the electrical or electronic component may have a surface coating, preferably a surface coating, which corresponds to the surface coating of the metal layers, as described above.
  • the surface coating of the component or its contact surface or contact surfaces faces the intermediate layer.
  • the surface coating of the contact surfaces, the metal layer, or both structural components may be single-layered or multi-layered, wherein each layer may comprise another of these materials or a different mixture or alloy of these materials.
  • the materials of the layers can merge into one another at interfaces of adjacent layers, for example according to a diffusion profile.
  • a multi-layer structure of the surface coating of the metal layers or the contact surfaces of the device may comprise a first layer and a second layer which faces the intermediate layer and which directly or indirectly adjoins it.
  • the first layer may in particular comprise Ni, or NiP as described above, and the second layer may in particular comprise Au, Ag, Pt, Pd or a combination.
  • the first layer of the surface coating of the contact surfaces directly or indirectly adjoins the component, and the first layer of the surface coating of the metal layer directly or indirectly adjoins the metal layer.
  • the contact surfaces of the electrical or electronic component are arranged on both outer sides of the component and comprise a conductive surface.
  • the conductive surface preferably extends over the entire surface of the respective side of the component.
  • the conductive surface may protrude from the surface of the device, be offset in the device toward the center of the device or aligned with the entire surface of the device, if the contact surface does not encompass the entire surface of the respective side of the device.
  • Particularly suitable conductive surfaces are heavily doped surface layers of a semiconductor structure.
  • a metallization layer of a semiconductor structure may provide the contact area.
  • the upper contact surface is preferably formed as the lower contact surface, but also the contact surfaces may be formed differently, for example, with different structures or with different materials (for example, heavily doped semiconductor or metal layer).
  • the contact surfaces are planar, ie extend along a plane, for example in the case of a semiconductor die, in which as well the entire two opposite surfaces extend along a plane.
  • the two contact surfaces may have portions of different heights, the maximum height difference preferably being significantly less than a dimension (eg, length or width) of the substrate surface, for example, less than 5%.
  • the intermediate layer can absorb such unevenness by its deformability, without producing inhomogeneities of the punctiform contact resistance or of the pressure exerted on the component.
  • the intermediate layer preferably has a thickness of 5-200 ⁇ m, more preferably 10-100 ⁇ m, further preferably 20-70 ⁇ m or particularly preferably 30-50 ⁇ m.
  • the intermediate layer is formed of Ag, Au, Cu, Al or a mixture of one or more of these components.
  • the intermediate layer preferably comprises a surface which directly adjoins the component, and which is planar or has a profile complementary to the component surface.
  • the intermediate layer has a pore size of 0.1-20 microns, 0.3-15 microns, or more preferably 0.6-10 microns (based on the maximum distance within the respective pore space).
  • the deformability is further defined by the ratio of pore volume to total volume of the intermediate layers. This is preferably at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least 40%, at least 50% or at least 60%.
  • the porosity of the intermediate layers is achieved by forming it as a sintered metal layer or as a metal layer in which pores are generally provided.
  • the pores can be created by means of spacer particles which are removed from the intermediate layer, are readily compressible or are converted into a form in which the material located in the pore is easy to compress.
  • a filler of organic material can be used, which at least partially converts to gas when heated.
  • the pores may also be provided by a liquid medium in which the material of the intermediate layer is present as a suspension. The pore-loosened material of the intermediate layer then results in at least partial removal or decomposition of the filler, which leaves pores.
  • This pore-containing intermediate layer represents the starting point of the process according to the invention and forms the intermediate layer of the arrangement according to the invention in porous form.
  • the porous intermediate layer can furthermore be produced by means of a paste-like system, which firstly comprises the remaining material of the intermediate layer, ie a metal, and also filler material which gives the interlayer material a pasty form and serves as a placeholder for pores.
  • the filler material may be provided as a solvent.
  • the intermediate layer or intermediate layers are preferably produced from a solid phase, the material of the intermediate layer being present as a solid (for example as particles) and pore-forming material, ie filler, being mixed with the material of the intermediate layer, the filler for providing the porous intermediate layer is removed or reacted.
  • the metal layers may be made of copper, a copper alloy, aluminum, or an aluminum alloy, for example.
  • the metal layers are preferably thicker than the intermediate layers.
  • the metal layers may have a thickness of at least 0.1 mm, at least 0.2 mm, at least 0.5 mm, at least 1 mm, at least 2 mm or at least at least 3 mm. This ensures that the metal layers represent a substantial static support for the device and for the intermediate layers, even with strong external forces.
  • the metal layers are formed of a material having a high coefficient of thermal conductivity.
  • section holders may be used or an insulating layer which separates the two intermediate layers from each other, or a combination thereof.
  • an insulating layer extends outside of the component, for example in that the insulating layer comprises a recess in which the component is fitted precisely or the component is provided plus a frame in which also no material of the insulating layer extends. If an additional frame is provided between the electronic component and the inner edge of the insulating layer, then this serves to equalize tolerances and different coefficients of linear expansion.
  • the insulating layer may be formed as thick as the device or may be formed with a thickness that is smaller than the thickness of the electronic device.
  • the invention is further realized by a method for producing a device structure comprising the steps of (a) disposing an electrical or electronic device between an upper porous intermediate layer and a lower porous intermediate layer, wherein the device and the intermediate layer may be formed as described above. Furthermore, the method comprises a step (b) of arranging the upper and the lower intermediate layer between an upper metal layer and a lower metal layer, wherein the intermediate layer and the metal layer may be formed as described above. The method further comprises a step (c) of joining the metal layers, the intermediate layers, and the intermediate device by applying pressure to outside of the metal layers facing away from the device. The contacting interface between the metal layer and the intermediate layer is thus on the opposite side of the metal layer, to which pressure is applied to the not yet unified component structure by attaching, for example, a stamp or another joining tool in order to completely form the latter by joining.
  • the step (c) of joining the metal layers further preferably comprises electrically connecting an upper contact surface provided on an upper side of the component with the upper intermediate layer and, simultaneously, electrically connecting a lower contact surface provided on a lower side of the component with the lower intermediate layer.
  • the electrical connection is provided by direct physical con Clock between the intermediate layer and contact surface, ie by forming a positive connection directly between the respective contact surface and the associated intermediate layer.
  • the contact surfaces may be formed as described above.
  • both contact surfaces are the same size, so that when joining with a certain force both contact surfaces are subjected to the same pressure.
  • the contact surfaces and the intermediate layer are flat (or the side which faces the respective contact surface), so that an applied force leads to a pressure distribution which is homogeneous with respect to the component and its contact surfaces.
  • the step (c) further comprises electrically connecting the upper intermediate layer to the upper metal layer and the lower intermediate layer to the lower metal layer by direct positive connection or via a positive connection provided by a surface coating of the respective metal layer.
  • the electrical connection between lower intermediate layer and lower metal layer by direct positive connection or via a positive connection provided by a surface coating of the lower metal layer is preferably carried out simultaneously with the electrical connection of the upper intermediate layer to the upper metal layer.
  • the bonding of the intermediate layers to the metal layers is also preferably carried out simultaneously with the electrical connection of the upper and lower contact surfaces to the upper and lower intermediate layers.
  • the joining comprises: embossing or pressing by means of a mating surface and a punch, which is guided to this.
  • the (not yet finished) component structure between counter surface and stamp is arranged.
  • two punches can be guided towards one another, with the (not yet finished) component structure being arranged therebetween.
  • Stamp, the counter surface or the stamp can be provided with a flat surface to impose a homogeneous pressure distribution during joining the upper and lower metal layer.
  • joining may include rolling with A counter-surface and a roller, wherein between the counter surface and roller, the component structure is guided.
  • the roller preferably has a constant circular cross-section along its longitudinal axis, the roller being guided and rotated in accordance with an axis of rotation extending along its center.
  • rollers are preferably formed e- benso as a circular cylinder, wherein the longitudinal axis of the circular cylinder corresponds to the axis of rotation of the rollers.
  • the pressure being relatively low, and the pressure during the entire joining step not greater than 15 MPa, not greater than 10 MPa, not greater than 6 MPa, is not greater than 3 MPa, not greater than 1 MPa or not greater than 0.5 MPa.
  • the pressure on the outsides of the metal layers is applied either homogeneously over the entire surface of the metal layer or, for example during rolling, homogeneously along a line.
  • the pressure is exerted by applying pressure or force to surface portions, to a substantially line-shaped cutout, or to the total area of the outsides of the metal layers, each being symmetrical about the midplane of the device structure.
  • the pressure is preferably applied perpendicular to the component structure, wherein the surface portions, where the pressure is exerted on the metal layers, facing each other.
  • the device structure according to the invention is preferably used for power electronics components which consist of silicon or silicon carbide circuits.
  • the device structure is suitable for use in automotive engineering, for example, for power components for control, regulation or rectification in motor vehicle, power generators or power elements that control a Stromfiuss to electric motor drives (or starters).
  • the invention is suitable for the representation of press-fit diodes on the generator shield of motor vehicle generators.
  • the device structure is in principle suitable for complete circuits, for example substrate-bonded circuits, which have contact surfaces, the device structure is preferably used for devices which have 2 pn junctions, 3 pn junctions or 5 pn junctions, or in particular for semiconductor power diodes or Semiconductor power MOSFETs or power transistors.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the inventive device structure in cross section.
  • FIG. 1 shows a cross-section of a component structure according to the invention.
  • the representation is not to scale, in particular the intermediate layer and the surface coating is shown enlarged.
  • 1 comprises an electronic component 10 with an upper contact surface 12 and a lower contact surface 14.
  • the upper contact surface is provided on an upper side of the component 10, and the lower contact surface is provided on the opposite underside of the component.
  • the contact surfaces or the upper sides and the lower sides extend perpendicular to the plane of the drawing.
  • the contact surfaces 12 and 14 of the device 10 are substantially not curved and extend within the same plane in which extend the top and bottom of the device.
  • the upper contact surface 12 directly adjoins an upper intermediate layer 20, and the lower contact surface 14 directly adjoins a lower intermediate layer 22. Both intermediate layers 20, 22 are porous.
  • the intermediate layers 20 and 22 are deformed, in particular the component 10, is substantially not deformed and in particular to a much lesser extent as the deformation of the intermediate layer.
  • the pressure during the joining is absorbed by the plastic / elastic properties of the intermediate layer, whereas the electrical component, which is essentially formed by a silicon crystal structure, and thus has a high brittleness, is not deformed.
  • the upper intermediate layer 20 has an underside which directly adjoins the upper contact surface 12 and is mechanically and electrically connected thereto by joining, the lower intermediate layer 22 having an upper side which likewise has a joining connection with the lower metal layer 14 is connected.
  • the component structure according to the invention of FIG. 1 furthermore comprises a surface coating 30, which adjoins the upper intermediate layer 20, and a surface covering 30. layer 32 which adjoins the lower intermediate layer 22.
  • the surface coating adjacent to the upper intermediate layer 20 is a surface coating of an upper metal layer 40
  • the surface coating 32 adjacent to the lower intermediate layer 22 is a surface coating of a lower metal layer 42.
  • the metal layers 40 and 42 will be described in more detail below.
  • the surface coating 30 and 32 of the metal layers 40 and 42 is, for example, a nickel coating or a low phosphorus content NiP coating (eg, less than 20 or less than 10%).
  • the surface coatings 30 and 32 can be applied by conventional chemical or physical surface coating mechanisms, for example by electroplating, vapor deposition, sputtering, contacting with liquid coating material, CVD or ALD. In multilayer surface coatings, various mechanisms can be combined, preferably sequentially.
  • the surface coating 30 of the upper metal layer 40 is connected directly to the upper side of the upper intermediate layer 20 via a joining connection, and the surface coating 32 of the lower metal layer 42 is connected directly to the underside of the lower intermediate layer 22 via a further joining contact.
  • the underside of the surface coating 30 of the upper metal layer 40 thus extends in the same plane as the top of the intermediate layer 20, and the upper surface of the surface coating 32 of the lower metal layer 42 extends in the same plane as the underside of the intermediate layer 22.
  • the surface coating of the upper metal layer directly adjoins it, and the surface coating 32 of the lower metal layer 42 directly adjoins it.
  • the connection between the surface coating and the respective metal layer is generated during the creation of the respective surface coating.
  • the upper metal layer 40 and the lower metal layer 42 are, for example, copper sheets or else aluminum sheets or aluminum or copper alloys. The sheets serve on the one hand for electrical contacting via the surface coating and the intermediate layer with the respective contact surface of the component 10 and serve on the other for mechanical connection and for mechanical protection (ie pressure absorption) of the component 10.
  • Another object of the metal layers is the heat dissipation.
  • the metal layers 40, 42 are significantly thicker than the surface coating 30, 32 and significantly thicker than the intermediate layers 20, 22 formed, preferably with a thickness that ensures that mechanical stress from the outside, for example by joining or during operation, in particular by temperature fluctuations in that a force acting on the component structure is absorbed by the latter in order to relieve the component 10.
  • the component structure shown in Figure 1 is produced by joining, wherein a homogeneous force 50, 52 is exerted on outer sides of the upper and lower metal layers 40, 42, so that the metal layers are exposed to a uniform over its surface pressure.
  • the force 50, 52 is generated by two tools, ie by two joining partners, which directly adjoin the outer sides of the metal layer (not shown), wherein the two tools are moved towards each other, whereby the force 50, 52 is generated for deformation of the intermediate layers 20, 22 is used.
  • joints between the metal layers 40, 42 (over the surface coatings 30, 32) with the (outer sides of) the intermediate layers 20, 22 and between the (inner sides of) the intermediate layers 20, 22 and the contact surfaces 12 result from the force , 14.
  • the component 10 as well as the intermediate layers are offset laterally inwards, wherein the metal layers extend laterally beyond the side edge of the component.
  • protection against laterally acting loads is provided, wherein at the same time the joining process with a relatively high tolerance with respect to the arrangement can be exerted by the overhang of the metal layers 40, 42 relative to the component 10.
  • the proportion of the pressure exerted on the component structure, which acts on the protruding edge, is at least partly or preferably completely united via the metal layers with pressurization of other surface portions of the metal layers.
  • tools are used which cause a plane-parallel movement of the metal layers to each other, thereby ensuring that the lower loaded protruding edge of the metal layers is not deformed more than the remaining portions of the metal layers, thereby ensuring that the protruding edges of the metal layers not in the free space.
  • Another embodiment, not shown, has intermediate layers which terminate with the outer edges of the metal layers. Furthermore, in the embodiment not shown, the outer edges of the component are aligned with the outer edges of the metal layers.
  • the metal layer is completely or partially provided with a surface coating.
  • the surface coating covers at least the area where it adjoins the intermediate layer.
  • orientation specifications "upper” and “lower” are not intended to determine the orientation of the respective component in the gravitational field of the earth, but serve for orientation in the consideration of Figure 1.
  • Additions are not an absolute orientation, but are based solely on the component structure itself.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauelement struktur, umfassend: ein elektrisches oder elektronisches Bauelement (10) mit einer oberen Kontaktfläche (12) auf einer Oberseite des Bauelements und einer unteren Kontaktfläche (14) auf einer gegenüberliegenden Unterseite des Bauelements; einer oberen Metallschicht (40) und einer unteren Metallschicht; (42) und einer oberen porösen Zwischenschicht (20) und einer unteren porösen Zwischenschicht. (22) Die obere Zwischenschicht verbindet die obere Metallschicht mit der oberen Kontaktfläche mechanisch und elektrisch leitend und die untere Zwischenschicht verbindet die untere Metallschicht mit der unteren Kontaktfläche mechanisch und elektrisch leitend.

Description

Beschreibung
Titel
Hochtemperaturbeständige lötmittelfreie Bauelementstruktur und Verfahren zum elektrischen Kontaktieren
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Kontakten zu Bauele- menten sowie eine Bauelementstruktur mit lotfreien und hochtemperaturbeständigen Kontaktstellen.
Elektrische Bauelemente umfassen eine wirkende Komponente sowie Verbindungselemente, mit denen die wirkende Komponente von außen kontaktiert werden kann. In vielen Berei- chen wird Lötmittel verwendet, um elektrische Kontaktierungen in Schaltungen und in Bauelementen herzustellen. Das hierzu verwendete Weichlot weist einen geringen Schmelzpunkt auf, um bei der Verlötung die Funktionskomponente des Bauelements nicht zu zerstören. Gleichzeitig führt der niedrige Schmelzpunkt dazu, dass die gelötete Schaltung nur in einem Temperaturbereich verwendet werden kann, der deutlich unter der Schmelztempe- ratur des Lotmaterials liegt. Darüber hinaus sind einige Lotmaterialien Bleilegierungen, so dass zusätzlich hinsichtlich der Entsorgung Umweltaspekte zu beachten sind, hierzu wurden bereits Umweltstandards wie RoHS entwickelt, die bleihaltige Lote prinzipiell ausschließen.
Insbesondere bei Verwendung im Automobilbereich, beispielsweise bei Generatoranwen- düngen, sind jedoch hohe Temperaturbelastungen unvermeidlich, die nicht mit dem niedrigen Schmelzpunkt des Lots zu vereinbaren sind. Es existiert daher ein Mangel an bleifreien Weichloten bzw. Ersatzlegierungen ab einer Temperatur von 235 0C.
Es bestehen bereits erste Ansätze, anstatt einer Lötverbindung eine Verbindung mittels Sin- terwerkstoff vorzusehen, der durch einen Fügeprozess geformt wird, um eine Funktionskomponente eines Bauteils mit zugehörigen elektrischen Verbindungen, beispielsweise Metallblechen, zu verbinden. „Low temperature sinter technology die attachment for automoti- ve power electronic applications" von C. Göbel, P. Beckedahl und H. Bramel, Automotive power electronics, 21-22 June 2006, Paris, werden Silberpasten vorgeschlagen, welche als Schicht zwischen einem Siliziumchip und einem Blech vorgesehen sind. Mit einem Druck von 40 MPa wird ein Stempel an den Chip herangeführt und auf die Schicht gepresst. Dieser Prozess belastet den Chip stark, so dass insbesondere bei dünnen Chips aufgrund der mangelnden Elastizität von Silizium bei der Verarbeitung hohe Ausschussraten auftreten. Zudem fehlt ein Gehäuse, das die Oberseite des Chips schützt, die üblicherweise durch gegossene Gehäusemasse vorgesehen wird. Insbesondere bei hohen Temperaturschwankungen wie sie im Automobilbereich auftreten, führt diese Materialkombination und Struktur (Schichtenaufbau von Gehäusematerial/Silizium/Sinterschicht/Kupferblech) zu starken me- chanischen Spannungen, insbesondere am Chip. Dadurch ergibt sich eine höhere Tempera- turempfindlichkeit, insbesondere bei starken und häufigen Temperaturschwankungen, und somit eine hohe Ausfallrate. Ferner führen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer relativ niedrigen Maximaltemperatur, ab der eine weitere Erhöhung zu unerwünscht hohen mechanischen Spannungen zwischen Chip und umgebender Struktur führt. Dadurch ist der Einsatzbereich bei hohen Temperaturen begrenzt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Bauelementstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung der Bauelementstruktur vorzusehen, bei dem das Bauelement weder bei Fertigung noch bei höheren Temperaturen oder bei hohen Temperaturschwankungen hohen me- chanischen Spannungen ausgesetzt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht einen Einsatz bei hohen Temperaturen und bei großen Tempera- turschwankungen und verringert ferner mechanische Spannungen zwischen dem Bauelement und den damit verbundenen Kontaktstrukturen. Insbesondere erlaubt der erfmdungsgemäße Aufbau die Verarbeitung von elektronischen Bauelementen bzw. elektrischen Bauelementen, ohne diesen bei der Kontaktierung hohen Kräften auszusetzen.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch Einbetten des elektronischen oder elektrischen Bauelements zwischen zwei porösen Zwischenschichten. Die Verformung (eine Kombination aus plastischer und elastischer Verformung) der beiden Zwischenschichten gewährleistet, dass das Bauelement keinen hohen Druckwerten ausgesetzt ist, wobei ein Großteil der bei der Kontaktierung auftretenden Kraft durch Verformung der Zwischenschichten und nicht durch ein elektronisches Bauteil aufgenommen wird. Insbesondere erlauben die Zwischenschichten eine symmetrische Kontaktierung und somit eine beidseitige Einbettung des Bauelements in eine verformbare Schicht, die beim durch Druck vorgesehenen Kontaktierungs- vorgang durch plastische (und teilweise elastische) Verformung entstehende Kräfte auf- nimmt und somit insbesondere spröde Bauelemente vor übermäßigen mechanischen Belastungen schützt. In gleicher Weise schützen die beidseitig angeordneten Zwischenschichten das Bauelement vor starken Kräften, die sich bei höheren Temperaturen und bei hohen Temperaturschwankungen ergeben.
Durch die verformbaren Zwischenschichten wird das Bauelement „schwimmend" befestigt, so dass zu beiden Seiten des Bauelements durch die jeweilige Zwischenschicht mechanische Puffer vorgesehen sind, durch deren Verformung die durch Verformung vorgesehene Belastung des Bauelements wesentlich verringert wird. Um die Zwischenschicht mit einer ausrei- chenden Verformbarkeit auszugestalten, sind diese porös ausgebildet, wobei durch die Poren Raum für Verformungen vorgesehen wird, welche wiederum zur Aufnahme von verformendem Material der Zwischenschicht dienen. Durch die Poren wird die Verformbarkeit deutlich erhöht, so dass bereits bei niedrigen Temperaturen und geringen Kräften die Zwischenschicht durch Verformung das dazwischen liegende elektrische oder elektronische Bauelement schützt.
Die Erfindung wird somit umgesetzt von einer Bauelementstruktur, die umfasst: ein elektrisches oder elektronisches Bauelement mit einer oberen Kontaktfläche auf einer Oberseite des Bauelements und einer unteren Kontaktfläche auf einer Unterseite des Bauelements. Das Bauelement ist vorzugsweise als eine flache Form ausgebildet, beispielsweise als HaIb- leiter-Die, beispielsweise ein Abschnitt einer zerteilten Silizium- Wafer. Insbesondere bei Silizium-Dies ist eine Lagerung mit geringer mechanischer Spannung notwendig, da das Die bezogen auf die Querschnittsfläche dünn ausgebildet ist, und das Material selbst kaum elastische Eigenschaften zeigt, bzw. durch hohe Sprödigkeit auch bei geringen mechanischen Verformungen durch Bruch zerstört werden kann. Die Erfindung betrifft im Wesentlichen Bauelemente, die als Halbleiter- Wafer (bzw. ein abgetrennter Teil hiervon) ausgebildet sind. Jedoch eignet sich die erfindungsgemäße Struktur auch für substratgebundene Schaltungen, Dickfϊlmschaltungen oder Dünnfϊlmschaltungen, die ebenso flach ausgebildet sind und aufgrund ihrer dünnen Bauform und der zugehörigen Materialeigenschaften bei geringen Ver- formungen ebenso Gefahr laufen, zerstört zu werden.
Das Bauelement umfasst vorzugsweise nur eine obere Kontaktfläche und nur eine untere Kontaktfläche oder eine Mehrzahl an oberen und unteren Kontaktflächen, die jeweils miteinander elektrisch unmittelbar verbunden sind oder miteinander elektrisch unmittelbar ver- bunden werden können, ohne den Betrieb der Schaltung negativ zu beeinflussen. Dadurch wird die Anordnung und Verpressung des Bauelements mit der jeweiligen Zwischenschicht einfacher, da die jeweilige gesamte Zwischenschicht die gesamte Oberseite bzw. gesamte Unterseite des Bauelements berühren kann. Die Bauelementstruktur umfasst ferner eine obere Metallschicht und eine untere Metallschicht, sowie eine obere poröse Zwischenschicht und eine untere poröse Zwischenschicht. Die Zwischenschicht dient zum einen zur Kontaktierung der jeweiligen Seite des Bauele- ments und zum anderen zur Verbindung mit der Metallschicht. Zwischen einer jeweiligen Seite des Bauelements und einer Metallschicht ist somit erfmdungsgemäß immer eine poröse Zwischenschicht vorgesehen. Die Zwischenschicht verbindet die jeweilige Metallschicht und die jeweilige Kontaktfläche des Bauelements mechanisch und elektrisch leitend (d.h. galvanisch). Es ergibt sich somit eine im Wesentlichen symmetrische Struktur, bei der das Bauelement in der Mitte liegt und die entgegengesetzten Kontaktflächen des Bauelements mit der Zwischenschicht verbunden sind, welche wiederum jeweils eine weiter außen liegende Metallschicht kontaktiert.
Die jeweilige (d.h. die obere oder die untere) Zwischenschicht kann mit der jeweiligen Me- tallschicht (d.h. der oberen oder der unteren) unmittelbar verbunden sein. Alternativ kann die Verbindung auch über eine Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein. Die Oberflächen- beschichtung ist vorzugsweise auf der Seite der Metallschicht angebracht, die zu der jeweiligen Zwischenschicht hin gewandt ist. Die obere Metallschicht kann mit der oberen Zwischenschicht so verbunden sein, wie die untere Zwischenschicht mit der unteren Metall- schicht verbunden ist, oder die Metallschichten können auf unterschiedliche Weise mit der zugeordneten Zwischenschicht verbunden sein. Somit kann eine Oberflächenbeschichtung einer Metallschicht (d.h. der unteren oder der oberen) vorgesehen sein, oder es können beide Metallschichten mit einer Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein. Die Oberflächenbeschichtung ist an der Innenseite der jeweiligen Metallschicht angebracht, d.h. an der Seite der Metallschicht, die der Zwischenschicht und auch dem Bauelement zugewandt ist. Das Material der Oberflächenbeschichtung kann Au, Ag, Ni, Pt, Pd, Legierungen dieser Elemente, NiP, oder eine Kombination umfassen. Hierbei hat NiP einen Phosphoranteil von weniger als 10 %, weniger als 6 %, weniger als 3 % oder weniger als 2 % bezogen auf das Gewicht, und einen Phosphoranteil von mehr als 1 % bezogen auf das Gewicht. Alternativ kann der Phosphoranteil auch größer als 0,5 % oder größer als 0,1 % bezogen auf das Gewicht sein.
Auch die Kontaktflächen des elektrischen oder elektronischen Bauelements können eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, vorzugsweise eine Oberflächenbeschichtung, die der Oberflächenbeschichtung der Metallschichten entspricht, wie sie vorangehend beschrieben wurde. Die Oberflächenbeschichtung des Bauelements bzw. deren Kontaktfläche oder Kontaktflächen ist der Zwischenschicht zugewandt. Die Oberflächenbeschichtung der Kontaktflächen, der Metallschicht oder beider Strukturkomponenten kann einlagig oder mehrlagig sein, wobei jede Schicht ein anderes dieser Materialien oder eine andere Mischung oder Legierung dieser Materialien umfassen kann. Die Materialien der Schichten können an Grenzflächen benachbarter Schichten ineinander über- gehen, beispielsweise gemäß eines Diffusionsverlaufs. Ein mehrlagiger Aufbau der Oberflächenbeschichtung der Metallschichten oder der Kontaktflächen des Bauelements kann eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht umfassen, die der Zwischenschicht zugewandt ist, und die mittelbar oder unmittelbar an diese angrenzt. Die erste Schicht kann insbesondere Ni, oder NiP wie oben beschrieben umfassen, und die zweite Schicht kann insbesondere Au, Ag, Pt, Pd oder eine Kombination umfassen. Die erste Schicht der Oberflächenbeschichtung der Kontaktflächen grenzt mittelbar oder unmittelbar an das Bauelement an, und die erste Schicht der Oberflächenbeschichtung der Metallschicht grenzt mittelbar oder unmittelbar an die Metallschicht an.
Die Kontaktflächen des elektrischen oder elektronischen Bauelements sind an beiden Außenseiten des Bauelements angeordnet und umfassen eine leitende Fläche. Die leitende Fläche erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Oberfläche der jeweiligen Seite des Bauelements. Die leitende Fläche kann aus der Oberfläche des Bauelements herausragen, in dem Bauelement zur Mitte des Bauelements hin versetzt sein oder mit der gesamten Oberfläche des Bauelements fluchten, falls die Kontaktoberfläche nicht die gesamte Oberfläche der jeweiligen Seite des Bauelements umgreift. Als leitende Oberfläche eignen sich insbesondere stark dotierte Oberflächenschichten einer Halbleiterstruktur. Alternativ kann eine Metallisierungsschicht einer Halbleiterstruktur die Kontaktfläche vorsehen. Die obere Kontaktfläche ist vorzugsweise wie die untere Kontaktfläche ausgebildet, wobei jedoch auch die Kontakt- flächen unterschiedlich ausgebildet sein können, beispielsweise mit unterschiedlichen Strukturen oder mit unterschiedlichen Materialien (beispielsweise stark dotierter Halbleiter- oder Metallschicht).
Vorzugsweise sind die Kontaktflächen eben ausgebildet, d.h. erstrecken sich entlang einer Ebene, beispielsweise im Falle eines Halbleiter-Die, bei der ebenso die gesamten beiden gegenüberliegenden Oberflächen sich entlang einer Ebene erstrecken. Alternativ können die beiden Kontaktflächen Abschnitte mit verschiedenen Höhen aufweisen, wobei der maximale Höhenunterschied vorzugsweise deutlich geringer als eine Abmessung (beispielsweise Länge oder Breite) der Substratoberfläche ist, beispielsweise weniger als 5 %. Die Zwischen- schicht kann derartige Unebenheiten durch ihre Verformbarkeit aufnehmen, ohne Inhomogenitäten des punktuellen Kontaktwiderstands bzw. des auf das Bauelement ausgeübten Drucks zu erzeugen. Die Zwischenschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 5-200 μm, besonders bevorzugt 10-100 μm, weiterhin bevorzugt 20- 70 μm oder insbesondere bevorzugt 30-50 μm auf. Die Zwischenschicht ist aus Ag, Au, Cu, Al oder einer Mischung einer oder mehrerer dieser Komponenten ausgebildet. Die Zwischenschicht umfasst vorzugsweise eine Oberfläche, die direkt an das Bauelement angrenzt, und die eben ist bzw. einen zur Bauelementoberfläche komplementären Verlauf aufweist. Die Zwischenschicht hat eine Porengröße von 0,1-20 μm, 0,3-15 μm, oder besonders bevorzugt 0,6-10 μm (bezogen auf die Maximaldistanz innerhalb des jeweiligen Porenraums). Die Verformbarkeit ist ferner definiert durch das Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvolumen der Zwischenschichten. Dies beträgt vor- zugsweise mindestens 10 %, mindestens 20 %, mindestens 30 %, mindestens 40 %, mindestens 50 % oder mindestens 60 %. Die Porosität der Zwischenschichten wird erreicht, indem diese als gesinterte Metallschicht ausgebildet ist oder als eine Metallschicht, in der in allgemeiner Weise Poren vorgesehen sind. Beispielsweise lassen sich die Poren mittels Platzhalterpartikel erzeugen, die aus der Zwischenschicht entfernt werden, gut komprimierbar sind oder in eine Form ungewandelt werden, bei der das in der Pore befindliche Material gut zu komprimieren ist. Beispielsweise kann hierzu ein Füllmittel aus organischem Material verwendet werden, das sich bei Erhitzung zumindest teilweise in Gas umwandelt. Zudem können die Poren auch durch ein flüssiges Medium vorgesehen sein, in dem das Material der Zwischenschicht als Suspension vorliegt. Das mit Poren aufgelockerte Material der Zwi- schenschicht ergibt sich dann bei zumindest teilweiser Entfernung oder Zersetzung des Füllmittels, welches Poren hinterlässt. Diese mit Poren versehene Zwischenschicht stellt den Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar und bildet in poröser Form die Zwischenschicht der erfmdungsgemäßen Anordnung. Die poröse Zwischenschicht kann ferner mittels eines pastösen Systems hergestellt werden, das zum einen das verbleibende Material der Zwischenschicht, d.h. ein Metall umfasst, sowie Füllmaterial, das dem Zwischenschichtmaterial eine pastöse Form verleiht und als Platzhalter für Poren dient. Das Füllmaterial kann als Lösungsmittel vorgesehen sein. Die Zwischenschicht bzw. die Zwischenschichten werden vorzugsweise aus einer festen Phase hergestellt, wobei das Material der Zwischenschicht als Festkörper (beispielsweise als Partikel) vorliegt und porenbildendes Mate- rial, d.h. Füllmittel, mit dem Material der Zwischenschicht vermischt ist, wobei das Füllmittel zum Vorsehen der porösen Zwischenschicht entfernt oder umgesetzt wird.
Während das Bauelement beispielsweise als Halbleiter-Die aus Silizium oder Siliziumcarbid ausgebildet sein kann, können die Metallschichten beispielsweise aus Kupfer, aus einer Kup- ferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind die Metallschichten vorzugsweise dicker als die Zwischenschichten ausgebildet. Die Metallschichten können eine Dicke von mindestens 0,1 mm, mindestens 0,2 mm, mindestens 0,5 mm, mindestens 1 mm, mindestens 2 mm oder mindes- tens 3 mm aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Metallschichten auch bei starken äußeren Kräften eine substantielle statische Stütze für das Bauelement und für die Zwischenschichten darstellen. Vorzugsweise werden die Metallschichten aus einem Material ausgebildet, das einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten aufweist.
Um zu vermeiden, dass bei dünnen elektrischen oder elektronischen Bauelementen sich die beiden Zwischenschichten berühren und somit ein unerwünschter elektrischer Kontakt entsteht, können Abschnitthalter verwendet werden oder eine Isolierschicht, welche die beiden Zwischenschichten voneinander trennt, oder aus einer Kombination hiervon. Eine derartige Isolationsschicht erstreckt sich außerhalb des Bauelements, beispielsweise indem die Isolationsschicht eine Aussparung umfasst, in der das Bauelement genau eingepasst ist oder das Bauelement zuzüglich eines Rahmens vorgesehen ist, in dem sich ebenso kein Material der Isolationsschicht erstreckt. Ist zwischen elektronischem Bauelement und Innenrand der Isolationsschicht ein zusätzlicher Rahmen vorgesehen, so dient dieser zur Ausgleichung von Toleranzen und von unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten. Die Isolationsschicht kann so dick wie das Bauelement ausgebildet sein oder kann mit einer Dicke ausgebildet sein, die kleiner als die Dicke des elektronischen Bauelements ist.
Die Erfindung wird ferner realisiert durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bauelement- struktur mit den Schritten (a) Anordnen eines elektrischen oder elektronischen Bauelements zwischen einer oberen porösen Zwischenschicht und einer unteren porösen Zwischenschicht, wobei das Bauelement sowie die Zwischenschicht wie oben beschrieben ausgebildet sein können. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt (b) des Anordnens der oberen und der unteren Zwischenschicht zwischen eine obere Metallschicht und eine untere Metall- schicht, wobei die Zwischenschicht und die Metallschicht wie oben beschrieben ausgebildet sein können. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt (c) des Fügens der der Metallschichten, der Zwischenschichten und des zwischenliegenden Bauelements durch Ausüben von Druck auf Außenseiten der Metallschichten, die von dem Bauelement abgewandt sind. Die Kontaktierungsschnittstelle zwischen Metallschicht und Zwischenschicht ist somit auf der entgegengesetzten Seite der Metallschicht, an der durch Anbringen beispielsweise eines Stempels oder eines anderen Fügewerkzeugs Druck auf die noch nicht vereinte Bauelementstruktur ausgeübt wird, um diese durch Fügen vollständig auszubilden.
Der Schritt (c) des Fügens der Metallschichten umfasst ferner vorzugsweise elektrisches Verbinden einer auf einer Oberseite des Bauelements vorgesehenen oberen Kontaktfiäche mit der oberen Zwischenschicht und, gleichzeitig, elektrisches Verbinden einer auf einer Unterseite des Bauelements vorgesehenen unteren Kontaktfläche mit der unteren Zwischenschicht. Das elektrische Verbinden wird vorgesehen durch unmittelbaren körperlichen Kon- takt zwischen Zwischenschicht und Kontaktfläche, d.h. durch Ausbilden eines Formschlusses unmittelbar zwischen der jeweiligen Kontaktfläche und der zugehörigen Zwischenschicht. Die Kontaktflächen können wie oben beschrieben ausgebildet sein. Vorzugsweise sind beide Kontaktflächen gleich groß, so dass beim Fügen mit einer bestimmten Kraft beide Kontaktflächen mit dem gleichen Druck beaufschlagt werden. Ferner sind auch die Kontaktflächen sowie die Zwischenschicht flach (bzw. die Seite, die der jeweiligen Kontaktfläche zugewandt ist), so dass eine aufgebrachte Kraft zu einer Druckverteilung führt, die bezogen auf das Bauelement und deren Kontaktflächen homogen ist.
Der Schritt (c) umfasst ferner das elektrische Verbinden der oberen Zwischenschicht mit der oberen Metallschicht bzw. der unteren Zwischenschicht mit der unteren Metallschicht durch unmittelbaren Formschluss oder über einen von einer Oberflächenbeschichtung der jeweiligen Metallschicht vorgesehenen Formschluss. Die elektrische Verbindung zwischen unterer Zwischenschicht und unterer Metallschicht durch unmittelbaren Formschluss oder über ei- nen von einer Oberflächenbeschichtung der unteren Metallschicht vorgesehenen Formschluss wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem elektrischen Verbinden der oberen Zwischenschicht mit der oberen Metallschicht ausgeführt. Das Verbinden der Zwischenschichten mit den Metallschichten wird ferner vorzugsweise gleichzeitig mit dem elektrischen Verbinden der oberen und unteren Kontaktfläche mit der oberen und unteren Zwischen- schicht ausgeführt. Dadurch werden alle durch Formschluss vorgesehenen elektrischen Verbindungen gleichzeitig hergestellt: die Verbindung zwischen oberer Metallschicht und der Zwischenschicht, zwischen oberer Zwischenschicht und oberer Kontaktfläche, zwischen unterer Kontaktfläche und unterer Zwischenschicht und zwischen unterer Zwischenschicht und unterer Metallschicht. Die elektrischen Verbindungen werden jeweils durch Form- Schluss, d.h. durch Aufpressen, ausgebildet. Dadurch wird gleichzeitig auch eine mechanisch belastbare Verbindung an den Stellen hergestellt, an denen eine elektrische Verbindung vorgesehen wird. Mit anderen Worten leistet der jeweilige Formschluss zwischen entsprechenden Komponenten zum einen eine elektrische Verbindung und zum anderen eine mechanische Verbindung, die als zwei Aspekte derselben körperlichen Ausprägung des Formschlus- ses angesehen werden.
Das Fügen umfasst: Prägen oder Pressen mittels einer Gegenfläche und eines Stempels, der zu dieser hin geführt wird. Hierbei ist die (noch nicht fertig gefügte) Bauelementstruktur zwischen Gegenfläche und Stempel angeordnet. Alternativ können zwei Stempel zueinander geführt werden, wobei zwischen diesen die (noch nicht fertig gefügte) Bauelementstruktur angeordnet ist. Stempel, die Gegenfläche oder die Stempel können mit einer flachen Oberfläche vorgesehen sein, um beim Fügen die obere und untere Metallschicht mit einer homogenen Druckverteilung zu beaufschlagen. Alternativ kann das Fügen umfassen: Walzen mit- tels einer Gegenfläche und einer Walze, wobei zwischen Gegenfläche und Walze die Bauelementstruktur geführt wird. Die Walze hat vorzugsweise einen konstanten Kreisquer- schnitt entlang ihrer Längsachse, wobei die Walze gemäß einer Rotationsachse geführt und gedreht wird, die entlang ihrer Mitte verläuft. Ferner kann das Fügen mittels zweier Walzen, zwischen denen die Bauelementstruktur gefuhrt wird. Diese Walzen sind vorzugsweise e- benso als Kreiszylinder ausgebildet, wobei die Längsachse des Kreiszylinders der Rotationsachse der Walzen entspricht.
Durch die beidseitige Verwendung der Zwischenschichten ist es möglich, die erfindungsge- mäße Struktur zu fügen, wobei der Druck relativ gering ist, und der Druck während des gesamten Fügeschritts nicht größer als 15 MPa, nicht größer als 10 MPa, nicht größer als 6 MPa, nicht größer als 3 MPa, nicht größer als 1 MPa oder nicht größer als 0,5 MPa ist. Der Druck auf die Außenseiten der Metallschichten wird entweder homogen über die gesamte Fläche der Metallschicht ausgeübt oder, beispielsweise beim Walzen, homogen entlang einer Linie. Der Druck wird ausgeübt durch Aufbringen eines Drucks oder einer Kraft auf Flächenabschnitte, auf einen im Wesentlichen linienförmigen Ausschnitt oder auf die Gesamtfläche der Außenseiten der Metallschichten, wobei diese jeweils symmetrisch zur Mittenebene der Bauelementstruktur sind. Mit anderen Worten wird der Druck vorzugsweise senkrecht auf die Bauelementstruktur ausgeübt, wobei sich die Flächenabschnitte, an denen der Druck auf die Metallschichten ausgeübt wird, gegenüberstehen.
Die erfϊndungsgemäße Bauelementstruktur wird vorzugsweise für Leistungselektronikbauelemente verwendet, die aus Silizium oder Siliziumcarbidschaltungen bestehen. Insbesondere eignet sich die Bauelementstruktur zum Einsatz in der Automobiltechnik, beispielsweise für Leistungsbauelemente zur Steuerung, Regelung oder Gleichrichtung in KFZ-, Stromgeneratoren oder für Leistungselemente, die einen Stromfiuss zu Elektromotorantrieben (oder auch zu Startern) steuern. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Darstellung von Einpressdioden am Generatorschild von Kfz-Generatoren. Obwohl sich die Bauelementstruktur prinzipiell für komplette Schaltungen, beispielsweise substratgebundene Schaltungen eignet, die Kontaktflächen aufweisen, wird die Bauelementstruktur vorzugsweise für Bauelemente verwendet, die 2 p-n-Übergänge, 3 p-n-Übergänge oder 5 p-n-Übergänge aufweisen, oder insbesondere für Halbleiter-Leistungsdioden oder Halbleiter-Leistungs-MOSFETs oder Leistungstransistoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfϊndungsgemäßen Bauelementstruktur im Querschnitt.
Ausfuhrungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Bauelementstruktur im Querschnitt dargestellt. Die Darstellung ist nicht maßstäblich, insbesondere die Zwischenschicht und die Oberflächenbe- schichtung ist vergrößert dargestellt. Die erfindungsgemäße Bauelementstruktur der Figur 1 umfasst ein elektronisches Bauelement 10 mit einer oberen Kontaktfläche 12 und einer unteren Kontaktfläche 14. Die obere Kontaktfläche ist auf einer Oberseite des Bauelements 10 vorgesehen, und die untere Kontaktfläche ist auf der gegenüberliegenden Unterseite des Bauelements vorgesehen. Die Kontaktflächen bzw. die Oberseiten und die Unterseiten erstrecken sich senkrecht zur Zeichenebene. Die Kontaktflächen 12 und 14 des Bauelements 10 sind im wesentlichen nicht gewölbt und erstrecken sich innerhalb derselben Ebenen, in der sich die Oberseite und die Unterseite des Bauelements erstrecken. Die obere Kontaktfläche 12 grenzt unmittelbar an eine obere Zwischenschicht 20 an, und die untere Kontakt- fläche 14 grenzt unmittelbar an eine untere Zwischenschicht 22 an. Beide Zwischenschichten 20, 22 sind porös. Während des Herstellungsprozesses durch Fügen werden im Wesentlichen nur die Zwischenschichten 20 und 22 verformt, insbesondere das Bauelement 10, wird im Wesentlichen nicht verformt und insbesondere in deutlich geringerem Maße wie die Verformung der Zwischenschicht. Dadurch wird der Druck während des Fügens von den plastisch/elastischen Eigenschaften der Zwischenschicht aufgenommen, wohingegen das elektrische Bauelement, welches im Wesentlichen durch eine Siliziumkristallstruktur ausgebildet ist, und somit eine hohe Sprödigkeit besitzt, nicht verformt wird.
Die obere Zwischenschicht 20 weist eine Unterseite auf, die unmittelbar an die obere Kon- taktfläche 12 angrenzt und durch Fügen mit dieser mechanisch und elektrisch verbunden ist, wobei die untere Zwischenschicht 22 eine Oberseite aufweist, die in gleicher Weise über eine Fügeverbindung mit der unteren Metallschicht 14 verbunden ist. Die Unterseite der
Zwischenschicht erstreckt sich somit entlang der Ebene, in der sich die obere Kontaktfläche
12 erstreckt, und die Oberseite der unteren Zwischenschicht 22 erstreckt sich entlang einer Ebene, in der sich auch die untere Kontaktfläche 14 erstreckt.
Die erfindungsgemäße Bauelementstruktur der Figur 1 umfasst ferner eine Oberflächenbe- schichtung 30, die an die obere Zwischenschicht 20 angrenzt, sowie eine Oberflächenbe- schichtung 32, die an die untere Zwischenschicht 22 angrenzt. Die an die obere Zwischenschicht 20 angrenzende Oberflächenbeschichtung ist eine Oberflächenbeschichtung einer oberen Metallschicht 40, und die Oberflächenbeschichtung 32, welche an die untere Zwischenschicht 22 angrenzt, ist eine Oberflächenbeschichtung einer unteren Metallschicht 42. Die Metallschichten 40 und 42 werden im Weiteren noch näher beschrieben. Die Oberflächenbeschichtung 30 und 32 der Metallschichten 40 und 42 ist beispielsweise eine Nickelbeschichtung oder eine NiP-Beschichtung mit einem geringen Phosphoranteil (beispielsweise weniger als 20 oder weniger als 10 %). Die Oberflächenbeschichtungen 30 und 32 können durch übliche chemische oder physikalische Oberflächenbeschichtungsmechanismen aufge- bracht werden, beispielsweise durch galvanische Beschichtung, Aufdampfen, Sputtern, In- kontaktbringen mit flüssigem Beschichtungsmaterial, CVD oder ALD. Bei mehrlagigen Oberflächenbeschichtungen können verschiedene Mechanismen kombiniert werden, vorzugsweise sequenziell. Die Oberflächenbeschichtung 30 der oberen Metallschicht 40 ist über eine Fügeverbindung unmittelbar mit der Oberseite der oberen Zwischenschicht 20 verbun- den, und die Oberflächenbeschichtung 32 der unteren Metallschicht 42 ist über einen weiteren Fügekontakt unmittelbar mit der Unterseite der unteren Zwischenschicht 22 verbunden. Die Unterseite der Oberflächenbeschichtung 30 der oberen Metallschicht 40 erstreckt sich somit in der gleichen Ebene wie die Oberseite der Zwischenschicht 20, und die Oberseite der Oberflächenbeschichtung 32 der unteren Metallschicht 42 erstreckt sich in der gleichen Ebene wie die Unterseite der Zwischenschicht 22.
Die Oberflächenbeschichtung der oberen Metallschicht grenzt unmittelbar an diese an, und die Oberflächenbeschichtung 32 der unteren Metallschicht 42 grenzt unmittelbar an diese an. Die Verbindung zwischen der Oberflächenbeschichtung und der jeweiligen Metallschicht wird während des Erstellens der jeweiligen Oberflächenbeschichtung erzeugt. Die obere Metallschicht 40 und die untere Metallschicht 42 sind beispielsweise Kupferbleche oder auch Aluminiumbleche oder Aluminium- oder Kupferlegierungen. Die Bleche dienen zum einen zur elektrischen Kontaktierung über die Oberflächenbeschichtung und die Zwischenschicht mit der jeweiligen Kontaktfläche des Bauelements 10 und dienen zum anderen zur mechanischen Verbindung sowie zum mechanischen Schutz (d.h. zur Druckaufnahme) des Bauelements 10. Eine weitere Aufgabe der Metallschichten ist die Wärmeableitung. Die Metallschichten 40, 42 sind deutlich dicker als die Oberflächenbeschichtung 30, 32 und deutlich dicker als die Zwischenschichten 20, 22 ausgebildet, vorzugsweise mit einer Dicke, die gewährleistet, dass mechanische Beanspruchung von außen, beispielsweise durch Fügen oder während des Betriebs, insbesondere durch Temperaturschwankungen, eine auf die Bauelementstruktur wirkende Kraft von diesen aufgenommen wird, um das Bauelement 10 zu entlasten. Die in Figur 1 dargestellte Bauelementstruktur wird durch Fügen erzeugt, wobei eine homogene Kraft 50, 52 auf Außenseiten der oberen und der unteren Metallschicht 40, 42 ausgeübt wird, so dass die Metallschichten einem über ihre Fläche gleichmäßigen Druck ausgesetzt sind. Die Kraft 50, 52 wird durch zwei Werkzeuge, d.h. durch zwei Fügepartner, er- zeugt, die unmittelbar an die Außenseiten der Metallschicht angrenzen (nicht dargestellt), wobei die beiden Werkzeuge zueinander bewegt werden, wodurch die Kraft 50, 52 erzeugt wird, die zur Verformung der Zwischenschichten 20, 22 dient. Neben der Verformung resultieren aus der Kraft Fügestellen zwischen den Metallschichten 40, 42 (über die Oberflä- chenbeschichtungen 30, 32) mit den (Außenseiten der) Zwischenschichten 20, 22, sowie zwischen den (Innenseiten der) Zwischenschichten 20, 22 und den Kontaktflächen 12, 14.
Aus der Figur 1 ist zu erkennen, dass das Bauelement 10 sowie die Zwischenschichten seitlich nach innen versetzt sind, wobei die Metallschichten seitlich über den Seitenrand des Bauelements hinausgehen. Dadurch wird ein Schutz gegenüber seitlich einwirkenden Belas- tungen vorgesehen, wobei gleichzeitig durch den Überhang der Metallschichten 40, 42 gegenüber dem Bauelement 10 der Fügevorgang mit einer relativ hohen Toleranz hinsichtlich der Anordnung ausgeübt werden kann. Der Anteil des auf die Bauelementstruktur ausgeübten Drucks, der auf den überstehenden Rand wirkt, wird zumindest teilweise oder vorzugsweise vollständig über die Metallschichten mit Druckbeaufschlagungen anderer Flächenab- schnitte der Metallschichten vereint. Insbesondere werden Werkzeuge eingesetzt, die eine planparallele Bewegung der Metallschichten zueinander erwirken, wodurch gewährleistet bleibt, dass der geringer belastete überstehende Rand der Metallschichten nicht stärker verformt wird als die restlichen Abschnitte der Metallschichten, wodurch gewährleistet wird, dass die überstehenden Ränder der Metallschichten nicht in den freien Zwischenraum hin- eingebogen werden.
Eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform weist Zwischenschichten auf, die mit den Außenrändern der Metallschichten abschließen. Ferner sind in der nicht dargestellte Ausführungsform die Außenränder des Bauelements fluchtend mit den Außenrändern der Metall- schichten ausgerichtet.
Die Metallschicht ist vollständig oder teilweise mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Die Oberflächenbeschichtung deckt zumindest des Bereich ab, an dem diese an die Zwischenschicht angrenzt.
Die Orientierungsangaben „obere" bzw. „untere" (Fläche, Seite oder Schicht) sollen nicht die Orientierung der jeweiligen Komponente im Schwerkraftfeld der Erde bestimmen, sondern dienen zur Orientierung bei der Betrachtung der Figur 1. Insbesondere definieren diese Zusätze nicht eine absolute Orientierung, sondern sind ausschließlich auf die Bauelementstruktur selbst bezogen.

Claims

Ansprüche
1. Bauelementstruktur, umfassend: ein elektrisches oder elektronisches Bauelement (10) mit einer oberen Kontaktfläche (12) auf einer Oberseite des Bauelements (10) und einer unteren Kontaktfläche (14) auf einer gegenüberliegenden Unterseite des Bauelements (10); einer oberen Metallschicht (40) und einer unteren Metallschicht (42); und einer oberen porösen Zwischenschicht (20) und einer unteren porösen Zwischenschicht (22), wobei die obere Zwischenschicht (20) die obere Metallschicht (40) mit der oberen Kontaktfläche (12) mechanisch und elektrisch leitend verbindet und die untere Zwischenschicht (20) die untere Metallschicht (42) mit der unteren Kontaktfläche (14) mechanisch und elektrisch leitend verbindet.
2. Bauelementstruktur nach Anspruch 1, wobei die Metallschichten (40, 42) und Kontakt- flachen (12, 14) unmittelbar mit der Zwischenschicht (20, 22) verbunden sind oder über eine Oberflächenbeschichtung (30), (32) mindestens eine der Metallschichten (40, 42) und Kontaktflächen (12, 14) mit der Zwischenschicht (20, 22) verbunden sind, und die Oberflächenbeschichtung Au, eine Au-Legierung, Ag, eine Ag-Legierung, Pt, eine Pt-Legierung, Pd, eine Pd-Legierung, Ni, NiP, oder eine Kombination hiervon umfasst, wobei NiP einen Phosphoranteil von weniger als 10 % und mehr als von mehr als 0,1 % bezogen auf das Gewicht aufweist und Oberflächenbeschichtung einlagig ist oder mehrlagig mit Schichten unterschiedlicher Materialien strukturiert ist.
3. Bauelementstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die obere Kontaktfläche (12) und die untere Kontaktfläche (14) teilweise oder vollständig als leitende Fläche vorgesehen ist und das Bauelement (10) ein Halbleiter-Die, eine auf oder in einem Substrat vorgesehene Schaltung, eine Dickfϊlmschaltung oder eine Dünnfilmschaltung ist, und wobei sich die obere, die untere Kontaktfläche oder beide Kontaktflächen (12, 14) eben sind, und das Bauelement (10) eben ist.
4. Bauelementstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschichten (20, 22) eine Dicke von 5 - 200 μm, 10 - 100 μm, 20 - 70 μm oder 30 - 50 μm aufweisen, aus Ag, Au, Cu, Al oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser E- lemente ausgebildet ist, jeweils eine dem Bauelement zugewandte Oberfläche umfassen, die eben ist, die Zwischenschichten (20, 22) eine Porengröße von 0,1 - 20 μm, 0,3 - 15 μm, oder 0,6 - 10 μm haben und das Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvo- lumen der Zwischenschichten (20, 22) mindestens 10 %, mindestens 20 %, mindestens 30 %, mindestens 40 %, mindestens 50 % oder mindestens 60 % beträgt.
5. Bauelementstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Metallschich- ten (40, 42) aus Cu, einer Cu-Legierung, Al oder einer AI-Legierung vorgesehen sind und eine Dicke von mindestens 0,1 mm, mindestens 0,2 mm, mindestens 0,5 mm, mindestens 1 mm, mindestens 2 mm, mindestens 3 mm, oder mindestens 5mm aufweisen.
6. Verfahren zur Herstellung einer Bauelementstruktur, mit den Schritten: (a) Anordnen eines elektrischen oder elektronischen Bauelements (10) zwischen eine obere porösen
Zwischenschicht (20) und eine unteren porösen Zwischenschicht (22); (b) Anordnen der oberen und der unteren Zwischenschicht (20, 22) zwischen eine obere Metallschicht (40) und eine unteren Metallschicht (42); und (c) Fügen der Metallschichten, der Zwischenschichten und des zwischenliegenden Bauelements durch Ausüben von Druck auf Außenseiten der Metallschichten (40, 42), die von dem Bauelement (10) abgewandt sind, wobei der Schritt (c) nach den Schritten (a) und (b) ausgeführt wird und ferner umfasst: Verformen beider Zwischenschichten (20, 22).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt (c) ferner umfasst: elektrisches Verbin- den einer auf einer Oberseite des Bauelements (10) vorgesehenen oberen Kontaktfläche
(12) mit der oberen Zwischenschicht (20); und, gleichzeitig, elektrisches Verbinden einer auf einer Unterseite des Bauelements (10) vorgesehenen unteren Kontaktfläche (14) mit der unteren Zwischenschicht (22) durch Ausbilden eines Formschluss unmittelbar zwischen oberen Kontaktfläche (12) und oberen Zwischenschicht (20) sowie eines Formschluss zwischen unterer Kontaktfläche (14) und unterer Zwischenschicht (22).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Schritt (c) ferner umfasst: elektrisches Verbinden der oberen Zwischenschicht (20) mit der oberen Metallschicht (40) durch unmittelbaren Formschluss oder über einen von einer Oberflächenbeschichtung (30) der oberen Metallschicht (40) vorgesehenen Formschluss; und, gleichzeitig, elektrisches
Verbinden der unteren Zwischenschicht (22) mit der unteren Metallschicht (40) durch unmittelbaren Formschluss oder über einen von einer Oberflächenbeschichtung (30) der unteren Metallschicht vorgesehenen Formschluss.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, wobei und das Fügen umfasst: Prägen oder Pressen mittels einer Gegenfläche und eines Stempels, der zu dieser hin geführt wird, und zwischen denen die Bauelementstruktur angeordnet wird; oder mittels zweier Stempel, die zueinander geführt werden, und zwischen denen die Bauelement- struktur angeordnet wird; oder Walzen mittels einer Gegenfläche und einer Walze, zwischen denen die Bauelementstruktur geführt wird; oder mittels zweier Walzen, zwischen denen die Bauelementstruktur geführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 9, wobei das Ausüben von Druck auf die Außenseiten der Metallschichten das Regeln des Drucks umfasst, und der Druck während des gesamten Schritts des Fügens nicht größer als 15 MPa, nicht größer als 10 MPa, nicht größer als 6 MPa, nicht größer als 3 MPa, nicht größer als 1 MPa, oder nicht größer als 0,5 MPa ist.
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