Beschreibung

Verfahren zur Herstellung und Kontaktierung von elektronischen Bauelementen mittels einer Substratplatte, insbesondere DCB-Keramik-Substratplatte .

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.

Bei der elektrischen Kontaktierung von einem oder mehreren ungehäusten Chips und/oder passiven Bauelementen, insbesondere in der Leistungselektronik, werden herkömmlicher Weise DCB-Keramiken („direct copper bonding") als Substrat verwendet. Dabei sind die Bauelemente mit ihrer Rückseite flächig auf die DCB-Keramik-Substratplatte aufgelötet. Das Kontaktieren kann mittels Dickdrahtbonden oder alternativ mittels des sogenannten planaren Kontaktierens gemäß der WO 03030247 ausgeführt werden. Der Inhalt dieser Offenbarung gehört ausdrücklich zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung. Im Unterschied zum Dickdrahtbonden erfolgt ein planares Kontaktieren durch Auflaminieren einer Isolationsfolie auf das elektronische Bauelement, öffnen von Kontaktfenstern insbesondere mittels Laserablation und Erzeugen der planaren Verbindung mittels galvanisch abgeschiedener Metallisierung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige elektrische Kontaktierung mindestens eines ungehäusten elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungsbauelements oder Halbleiterleistungsbauelements, insbesondere für den Hochspannungsbereich größer als 1000 Volt, mit Anschlussflächen zur Befestigung und/oder zur elektrischen Kontaktierung auf einer Oberseite und/oder Unterseite bereit zu stellen. Des Weiteren sollen eine hohe Integrationsdichte, niederinduktives Verhalten der Kontaktierung, eine hohe Stromtragfähigkeit, eine wirksame Kühlung und/oder eine hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich elektrischer und thermischer Zy- kelbeanspruchung geschaffen sein.

Elektrische Zykelbeanspruchung bedeutet das abwechselnde Aussetzen unter eine niedrige elektrische Leistung und eine hohe elektrische Leistung mit einer bestimmten Anzahl von Last- wechseln. Thermische Zykelbeanspruchung bedeutet das abwechselnde Aussetzen unter eine niedrige Temperatur, beispielsweise -40 ⁰ C, und eine hohe Temperatur, beispielsweise +125°C, mit einer bestimmten Anzahl von Temperaturwechseln, beispielsweise 100 bis 1000 Zykeln.

Leiterteil ist ein elektrischer Leiter mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und großer Stromtragfähigkeit, wobei der Leiter leicht mechanisch bearbeitbar, beispielsweise mittels Stanzen und/oder Biegen, und plastisch verformbar ist. Ein derartiges Leiterteil kann ebenso als Stanzbiegeteil bezeichnet werden. Beispielsweise kann ein Leiterteil ein Leadframe, insbesondere ein Kupfer-Leadframe sein.

Anschlussbügel ist ein gebogener Abschnitt des Leiterteils zur elektrischen Kontaktierung und/oder Befestigung des Leiterteils an einer Anschlussfläche des Substrats.

Herkömmlicherweise wird eine DCB-Keramik als Substrat verwendet, wobei elektronische Bauelemente mit deren Rückseite flä- chig aufgelötet werden. „DCB" bedeutet „Direct Copper Bonding". Bei der Erzeugung einer DCB-Keramik werden auf Ober- und Unterseite einer Keramik Kupferplatten aufgewalzt und bei ca. 1080°C mit dieser formschlüssig verbunden. Anschließend wird zumindest eine der beiden Kupferseiten nasschemisch strukturiert. Ein bekannter Hersteller derartiger Keramiken heißt „Curamik".

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch in eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.

Mittels der vorgeschlagenen Lösung kann ein kostengünstiges Aufbringen und Verdrahten ungehäuster elektronischer Bauelemente auf Substraten, insbesondere auf DCB-Keramiken ausge-

führt werden, wobei als Isolationsmaterial ein leicht zu erzeugender spritzgegossener Kunststoff als Isolationsmaterial verwendet wird. Mittels der vorgeschlagenen Lösung kann eine niederinduktive Kontaktierung der Bauelemente bereitgestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet das Leiterteil mindestens einen sich bis auf die Folienebene erstreckenden Anschlussbügel aus. Ebenso wird ein Entfernen der Trägerfolie im Bereich des Anschlussbügels ausgeführt. Der Anschlussbügel wird mit einer gegenüberliegenden Anschlussfläche auf der Substratplatte befestigt und/oder elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise kann eine hohe Stromtragfähigkeit durch dicke Verbindungen aus elektrisch hoch leitfähigem Material bereitgestellt werden. Das Leiterteil ist eine Ausführungsform für eine elektrische Verbindung aus elektrisch hoch leitfähigem Material mit hoher Stromtragfähigkeit und einfacher mechanischer Bearbeitbarkeit, wie beispielsweise durch Stanzen und/oder Biegen. Das Material kann plastisch geformt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei ei- nem sich bis auf die Folienebene erstreckenden Leiterteil, ein Entfernen der Trägerfolie im Bereich des Anschlussbügels ausgeführt, und der Anschlussbügel mit einer gegenüberliegenden Anschlussfläche auf dem Substrat befestigt und/oder elektrisch kontaktiert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Leiterteile mittels Löten befestigt und/oder elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise ist dieses Teil leicht auf herkömmliche Weise verarbeitbar. Die auf der Folie aufgebrachten elektronischen Bauelemente werden auf der freiliegenden Oberseite mit einem entsprechend vorgeformten Leiterteil, das beispielsweise Kupfer aufweist, verlötet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Erzeugen der elektrisch isolierenden Masse mittels Spritzgießen, wobei bei dem isolierenden Material die eine Abschlussseite die Folie bildet und die andere ein entsprechend vorge- formtes dreidimensionales Spritzgusswerkzeug entsprechend der Ausbildung des Stanzbiegeteils.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trägerfolie derart photosensitiv, dass auf einfache Weise ein Entfernen der Trägerfolie mittels Fotobelichtung ausgeführt werden kann. Eine andere vorteilhafte und einfache Möglichkeit des Entfernens der Trägerfolie erfolgt mittels Ablation, insbesondere Laserablation . Auf diese Weise werden die Unterseite des elektronischen Bauelements, sowie die herunter ge- führten Anschlussbügel mittels Photobelichtung oder mittels

Ablationsverfahren (Laser, und dergleichen) von Folienmaterial befreit. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Trägerfolie in einem späteren Schritt an geeigneter Stelle geöffnet werden. Bei einer Ablation muss die Trägerfolie nicht photosen- sitiv sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Befestigen und/oder elektrische Kontaktieren der Anschlussfläche auf der Unterseite und/oder des Anschlussbügels mit der jeweiligen Anschlussfläche der Substratplatte mittels Löten und/oder Kleben ausgeführt. Auf diese Weise sind das Befestigen und/oder das elektrische Kontaktieren einfach. Ein abschließendes Löt- oder Klebeverfahren verbindet elektrisch eine bereitgestellte DCB-Substratplatte mit den freigelegten Flächen der elektrischen Kontakte.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Bauelemente an bestimmten Positionen auf der Trägerfolie, entsprechend einem bestimmten Funktionsaufbau einer zu erzeu- genden Vorrichtung befestigt. Das heißt in einem ersten

Schritt werden auf die elektrisch isolierende Trägerfolie an bestimmten Positionen mit deren Unterseite elektronische Bau-

elemente haftend aufgesetzt. Damit kann besonders frühzeitig ein Entwurf einer Vorrichtung umgesetzt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in der elektrisch isolierenden Masse und/oder auf der Substratplatte eine Einrichtung zur Kühlung, insbesondere ein Kühlkanal eine Wärmesenke oder eine Heatpipe positioniert. Auf diese Weise kann eine Kühlung mit einer hohen Kühlleistung bereitgestellt werden. Ebenso kann eine Kühlung beidseitig, das heißt, so- wohl auf der Unterseite des DCB-Substrats, als auch auf der Oberseite der elektronischen Bauelemente ausgebildet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Leiterteil ein elektrisch hoch leitfähiges Material, bei- spielsweise Kupfer auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ausdehnungskoeffizienten von Leiterteil und elektrisch isolierendem Material zur Erzeugung einer hohen thermomechani- sehen und elektrischen Zykelfestigkeit aneinander angepasst.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Einrichtungen geschaffen, die auf der Trägerfolie fixiert, verbleiben .

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 1 zeigt zwei ungehäuste elektronische Bauelemente 1, und zwar zwei Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTS) .

Auf einer Oberseite 3 ist jeweils eine Anschlussfläche 7 erzeugt. Auf einer Unterseite 5 sind jeweils zwei Anschlussflächen 7 erzeugt. Alle Anschlussflächen 7 werden zur Befestigung und/oder zur elektrischen Kontaktierung des elektroni- sehen Bauelements 1 verwendet. Das elektronische Bauelement 1 ist beispielsweise ein Leistungshalbleiterbauelement, und insbesondere ein elektronisches Bauelement für Spannungen ü- ber 1000 Volt. Das Bauelement 1 ist mit dessen Unterseite 5 auf einer, sich über die Fläche der Unterseite 5 hinaus erstreckenden, elektrisch isolierenden Trägerfolie 13 befestigt. Mit der Anschlussfläche 7 auf der Oberseite 3 ist eine vorgeformte, dreidimensionale Struktur als elektrisch leitendes Leiterteil 15 befestigt und elektrisch kontaktiert, wobei das Leiterteil 15 sich über die Fläche der Oberseite 3 hinaus erstreckt. Zwischen der Trägerfolie 13 und der dreidimensionalen Struktur des Leiterteils 15 ist eine elektrisch isolierende Masse 17 erzeugt. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Masse 17 mittels Spritzguss erzeugt sein. Dabei können insbesondere herkömmliche Spritzgusswerkzeuge zur Formgebung der elektrisch isolierenden Masse 17 verwendet werden. Das Leiterteil 15 erzeugt gemäß Figur 1 einen sich bis auf die Ebene der Trägerfolie 13 erstreckenden Anschlussbügel 16. An den Anschlussflächen 7 auf der Unterseite 5 des Bauelements 1 ist die Trägerfolie 13 mit öffnungen 21 er- zeugt. Ebenso ist die Trägerfolie 13 im Bereich des Anschlussbügels 16 entfernt und weist entsprechend eine öffnung 21 auf.

Unterhalb der Trägerfolie 13 ist ein Substrat 11 erzeugt, das besonders vorteilhaft ein Direct Copper Bonding-Keramik- Substrat ist. Auf dessen Oberseite sind Leiterbahnen vorstrukturiert, auf denen Anschlussflächen 9 des Substrats 11 erzeugt sind. Derartige Anschlussflächen 9 liegen den Anschlussflächen 7 auf der Seite der Bauelemente 1 gegenüber. Das Bauelement 1 ist mit dessen Unterseite 5, im Bereich der beiden Anschlussflächen 7, mit den beiden gegenüberliegenden Anschlussflächen 9 auf dem Substrat 11 befestigt und elektrisch kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt besonders ein-

fach mittels Lot 19. Bei dem sich bis auf die Ebene der Trägerfolie 13 erstreckenden Leiterteil 15 ist die Trägerfolie 13 im Bereich des Anschlussbügels 16 entfernt und weist eine öffnung 21 auf. Der Anschlussbügel 16 ist mit der gegenüber- liegenden Anschlussfläche 9 auf dem Substrat 11 befestigt und elektrisch kontaktiert. Die drei unteren von dem Substrat weggerichteten Pfeile gemäß Figur 1 zeigen in Richtung einer Wärmesenke 23 zur Kühlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Alternativ kann eine Einrichtung zur Kühlung, insbesondere ein Kühlkanal eine Wärmesenke 23 und/ oder eine Heatpipe auf dem Leiterteil 15, in der elektrisch isolierenden Masse 17 und/oder auf dem Substrat 11 positioniert beziehungsweise erzeugt sein. Der nach oben gerichtete Pfeil in Fig. 1 zeigt das Befestigen und elektrische Kontaktieren von Substrat 11 mit den Anschlussflächen 9 und den elektronischen Bauelementen 1 mit den Anschlussflächen 7 an.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontaktierung mindestens eines ungehäusten elektronischen Bauelements 1, insbesondere eines Leistungsbauelements oder Halbleiterleistungsbauelements, mit mindestens einer jeweils auf einer Oberseite 3 und /oder einer Unterseite 5 angeordneten Anschlussfläche 7 zur Befestigung und/oder zur elektrischen Kontaktierung.

Bei einem Schritt Sl erfolgt ein Befestigen des Bauelements 1 mit dessen Unterseite 5 auf eine über die Fläche der Unterseite 5 hinausgehende elektrisch isolierende Trägerfolie 13. Mittels eines Schrittes S2 erfolgt ein Befestigen und/oder elektrisches Kontaktieren der Anschlussfläche 7 auf der Oberseite 3 mit jeweils einem eine vorgeformte dreidimensionale Struktur ausbildenden elektrisch leitenden Leiterteil 15, das sich über die Fläche der Oberseite 3 hinaus erstreckt. Mittels eines Schrittes S3 erfolgt ein Erzeugen einer elektrisch isolierenden Masse 17 zwischen Trägerfolie 13 und der dreidimensionalen Struktur des Leiterteils 15. Dabei kann ein herkömmliches Spritzgussverfahren angewendet werden. Es können insbesondere herkömmliche Werkzeugteile zur Begrenzung der

elektrisch isolierenden Masse 17 verwendet werden. Mit einem Schritt S4 erfolgt ein Entfernen der Trägerfolie 13 von der Unterseite 5 im Bereich der Anschlussflächen 7. Abschließend erfolgt mit einem Schritt S5 ein Befestigen und elektrisches Kontaktieren der Anschlussflächen 7 auf den Unterseiten 5 mit den entsprechenden Anschlussflächen 7 gegenüberliegenden Anschlussflächen 9 auf den Leiterbahnen 25 auf dem Substrat 11, wobei besonders vorteilhaft eine Direct Copper Bonding (DCB) - Keramiksubstratplatte 11 verwendet wird.

Hiermit wird darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung gemäß Figur 1 lediglich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Grundsätzlich können beliebige ungehäuste elektronische Bauelemente 1 verwendet werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Bauelemente im Hochspannungsbereich größer 1000 Volt. Die Bauelemente können an bestimmten Positionen auf der Trägerfolie 13 entsprechend einem bestimmten Funktionsaufbau befestigt und /oder elektrisch kontaktiert werden. Weitere Beispiele für elektronischen Bau- elemente 1 sind Dioden, Tyristoren, Transistoren und dergleichen. Es können ebenso eine Vielzahl von Anschlussbügeln 16 verwendet werden. Anschlussbügel 16 sind grundsätzlich nicht erforderlich. Bezugszeichen 25 kennzeichnet eine Leiterbahnstruktur auf dem Substrat 11 bei einem DCB-Substrat weisen die Leiterbahnen 25 insbesondere Kupfer auf.

Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne eine Substratplatte 11 als Einrichtung ebenso vom Schutzumfang um- fasst .