Halbzeug zur Bauteilbestückung, Verfahren zur Bauteilbestü ckung und Verwendung des Halbzeugs

Die Erfindung betrifft ein Halbzeug bei der Bauteilbestückung respektive eine Bauteil-Verkapselung, insbesondere eine durch eine Verbindungstechnik wie Drucksintern herstellbare Bestü ckung eines leistungselektronischen Bauteils, sowie die Ver wendung des Halbzeugs in einem verbindungstechnischen Verfah ren bei der Bestückung von Halbleiterbauteilen.

Für den Einsatz in der Montage von leistungselektronischen Bauteilen, insbesondere der Chipdirektmontage von Halblei tern, ist eine elektrisch hochwirksame isolierende Verkapse lung der Zwischenräume zwischen Substratoberflächen und expo nierten Halbleiterbauteilen wie Chipoberflächen wichtig, da mit die geforderte Isolation durch die Verkapselung auch un ter ungünstigen Bedingungen - insbesondere Umgebungsbedingun gen- stabil und ausreichend isolierend ist.

Elektronische Baugruppen der Leistungselektronik mit einem oder mehreren Halbleiterbauteilen werden typischerweise mit Hilfe von verbindungstechnischen Verfahren bei der Bestückung von Halbleiterbauteilen wie Klebungen, Lötungen und/oder durch Drucksintertechnik auf einem Substrat, beispielsweise einem keramischen Substrat, wie einem Schaltungsträger, her gestellt. Insbesondere werden keramische Schaltungsträger als Substrat eingesetzt, so genannte DCB-Substrate oder Direct- Coppper-Bonded Substrate.

Dazu wird beispielsweise ein mit Bauteilen zu bestückendes Substrat mit einer Verbindungsschicht durch Drucksintern mon tiert. Im Fall des Drucksinterns werden in der Regel erst die Substratplatte und die Bauteile verbunden und danach erfolgt das elektrische Kontaktieren des Moduls, der Herstellungspro zess kann aber auch umgekehrt ablaufen. Zur Herstellung einer isolierenden Verkapselung eines leis tungselektronischen Bauteils werden - beispielsweise bei der Drucksintertechnik und/oder der Löttechnik mehrstufige Ver fahren angewendet, bei denen in einem technologisch aufwändi gen sequentiellen Prozess zunächst eine Verbindung durch Drucksintern hergestellt wird. In dem nächsten Arbeitsschritt erfolgt dann durch einen Underfill-Prozess das Abdichten der Zwischenräume und Spalten. Der Underfill-Prozess ist - wie gesagt - ein extra Arbeitsschritt, der Kosten und Zeit braucht.

Trotz dieses aufwändigen Verfahrens gibt es immer noch Prob leme bei der isolierenden Verkapselung der Spalten und/oder Zwischenräume, wenn der Underfill-Prozess die durch Drucksin tern hergestellte Verkapselung nicht komplett versiegelt und/oder ergänzt.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung eine neue Technik zur Herstellung einer wirksam isolierenden Verkapselung zur Ver fügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere das Problem der Versiegelung der Zwischenräume und/oder Spalten beim Bestücken einfach, kos tengünstig und massenfertigungstauglich löst.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er durch die Beschreibung, die Figuren und die Ansprüche offenbart ist, gelöst.

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Halbzeug zur Verwendung bei der Bestückung eines leistungs elektronischen Bauteils durch ein verbindungstechnisches Ver fahren, wobei das Halbzeug einen Rahmen bildet, der geeignet ist, den Verbindungsmaterial-Auftrag auf einem metallisierten Einbauplatz während der Bestückung zu umgeben. Außerdem ist die Verwendung eines Halbzeugs beim Aufbau eines leistungselektronischen Bauteils mittels Verbindungstechnik Gegenstand der Erfindung.

Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Bestü ckung eines Substrats mit einem leistungselektronischen Bau teil folgende Verfahrensschritte umfassend:

- Bereitstellen zumindest eines Einbauplatzes (1,2) mittels Metallisierung auf einem Substrat

- Auftrag eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterials

(3)

- Vorkonfektionieren eines Halbzeugs (6) in Form eines Rah mens zur Umrandung des Verbindungsmaterialauftrags (3) auf dem Substrat

- Platzierung des vorkonfektionierten Halbzeugs (6) auf dem Substrat um das elektrisch leitfähige Verbindungsmaterial (3) herum

- Bestückung des Einbauplatzes und des Verbindungsmaterials mit einem Halbleiterbauteil (7)

- Einbringen des so vorbereiteten Werkstückes in eine Vor richtung zur Durchführung des verbindungstechnischen Ver fahrens, insbesondere in eine Drucksinterpresse,

- simultane elektrisch leitende Verbindung des Halbleiter bauteils (7) und Isolierung mit dem Halbzeug (6) auf dem metallisierten Einbauplatz (1,2) des Substrats.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch den Einsatz eines - insbesondere - vorkonfektionierten Halbzeugs eine simultane Verarbeitbarkeit von elektrischer Verbindung durch beispielsweise Drucksintern von entsprechend einsetzba- rem Verbindungsmaterial und Herstellen einer isolierenden Verkapselung durch Verpressen des in Form des Halbzeugs vor liegenden Isolationswerkstoffes möglich ist, wenn die Verar beitungsparameter, beispielsweise Druck, Temperatur, des Ver bindungsmaterials und des Halbzeugs weitgehend kompatibel sind. Eine weitere allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass die Kunstharze, aus denen die Halbzeuge beispielsweise ge macht sind, gegenüber den Underfill-Materialien überlegene Materialeigenschaften zeigen, wie insbesondere Glasübergangs temperatur, Dauereinsatztemperatur-Beständigkeit und ähnli ches.

Schließlich ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Halbzeugs bei der Bestückung und/oder Verkapselung eines leistungselektronischen Bauteils.

Das Halbzeug umfasst insbesondere ein dielektrisches und duroplastisches Harz in einem B-Zustand. Im B-Zustand ist die Form des Halbzeugs zwar fest, verflüssigt sich aber noch bei Druck- und/oder Temperaturerhöhung, weil der B-Zustand ein teilvernetzter Zustand eines Polymers ist, in dem die duro plastischen, also durch Temperaturerhöhung nicht mehr ver formbaren Eigenschaften des polymer vorliegenden Harzes noch nicht dominieren. Das durch Temperaturerhöhung verflüssigte Harz im B-Zustand fließt in Zwischenräume und/oder Spalten zwischen der durch Löten und/oder Drucksintern oder ähnliches hersteilgestellten Verkapselung und dem Substrat und/oder die Oberflächen der Bauteile ein. Dort verfestigt sich das Harz des Halbzeugs duroplastisch-irreversibel bei Temperaturerhö hung. Der Rest des Halbzeugs ist - wenn überhaupt störend - leicht entfernbar und wird - beispielsweise nach der Drucks interung und gegebenenfalls der Prepreg-Presse - durch Abwi schen, Abziehen und/oder Abtrennen entfernt.

Halbzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesonde re Harzelemente im B-Zustand, die durch Druckerhö hung/Erwärmung flüssig werden, aber nach erfolgter Durchhär tung und Vernetzung des Harzes duroplastische Eigenschaften haben, also ihre Form durch Erwärmen nicht unzersetzt verän dern können.

Als Harze im Sinne der vorliegenden Erfindung eignen sich zur Herstellung des Halbzeugs, insbesondere Duroplaste. Als Duro plaste werden polymere Kunststoffe bezeichnet, die nach dem Aushärten nicht mehr verformt und/oder unzersetzt schmelzbar sind. Sie umfassen harte, amorphe unlösliche Polymere. Ihre Vorprodukte, so genannte Pre-Polymere, sind Kunstharze, die noch schmelzbar und daher zu verflüssigen sind. Das Halbzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein derartiges Kunst harz.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt im Halbzeug ein Träger in Form von Verstärkungsfasern vor. Diese können als Gelege, Gewebe, und/oder auch als Faserbündel vorliegen. Als Verstärkungsfasern können Glasfasern, Kohlefasern, Ara- midfasern, keramische Fasern etc. eingesetzt werden. Diese liegen dann bevorzugt in dem die Matrix bildenden Kunstharz eingebettet vor.

Beispiele für Verbindungen, die derartige Kunstharze bilden sind Epoxidharze, Polyurethane, Kautschuke - natürliche, na turidentische und/oder vulkanisierte Kautschuke -, Novolake, ungesättigte Polyesterharze beliebige Mischungen, Copolymere und/oder Blends der vorgenannten Verbindungen, sowie weitere dem Fachmann - insbesondere als Duroplaste in Form von ent sprechenden Pre-Polymeren einsetzbare - bekannte Verbindun gen.

Im Halbzeug kann ein Harz aus nur einer Verbindung oder ein Harz aus einem Blend und/oder Copolymer verschiedener Verbin dungen vorliegen.

Zum Erhalt spezifischer Eigenschaften des Halbzeugs und/oder den ausgehärteten Duroplasten daraus, kann dem Harz oder der Harzmischung ein oder mehrere Füllstoff(e) und/oder ein oder mehrere Additiv (e) zugemischt sein.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Halbzeug an das zu bestückende und/oder verkapselnde leistungselektronische Bauteil vorkonfektioniert und ange passt. Dafür gibt es verschiedene Genauigkeitsgrade, die je nach Anwendung eingesetzt werden. Insbesondere kann hier mas- senfertigungstauglich ein in gewissen Grenzen überall ein- setzbares Halbzeug vorkonfektioniert werden, es kann aber auch - je nach Anwendung für jedes Bauteil, ein genau passen des Halbzeug extra vordimensioniert werden. Dazu liegen im Sinne der vorliegenden Erfindung keine Einschränkungen vor.

Beispielsweise wird das Halbzeug beim Vorkonfektionieren in seiner Größe und/oder Form, seinem Umfang, seiner (Schicht-) Dicke, seiner Oberflächenbeschaffenheit und/oder seiner Ver arbeitbarkeit - jeweils die genannten Kriterien einzeln oder gemeinsam oder in beliebigen Kombinationen realisiert - an den Materialauftrag des Verbindungsmaterials, das Substrat und/oder das zu verkapselnden Bauteil angepasst. Vor allem die Anpassungen in Form, Gestalt, Winkelabmessung, Dicke, Hö he, Breite, Länge und/oder allgemein der Größe nennt man da bei „Vorkonfektionieren".

Als Verbindungsmaterial eignet sich beispielsweise ein Sin termaterial und/oder ein Lotmaterial und/oder ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial und/oder ein Leitkleber. Bei spiele für Sinterpasten sind Silber- und/oder Kupfer-basierte Sinterpasten, beispielsweise von den Herstellern Alpha oder Heraeus, die als Pasten und/oder auch als Formteile einsetz- bar sind.

Als Lotmaterialien eignen sich typischerweise die Lotverbin dungen, insbesondere in Form von Legierungen, z.B.

SnAg3Cu0.5, SnAg3CuO.7 SnCu0.7, SnAg3.5, Sn-58Bi, die wiede rum als Pasten und/oder auch als Formteile einsetzbar sind.

Als Leitkleber können beispielsweise solche auf Epoxidharz- Basis eingesetzt werden, oder auf Acrylat-Harz-Basis - wiederum beispielsweise - mit metallischen Füllstoffen die als Leitmedium, beispielsweise Silberpartikel, einsetzbar sind. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ver bleibt das nicht verflossene Harz des Halbzeugs nach dem Drucksintern auf dem Substrat als Isolation.

Nach einer anderen Ausführungsform wird überstehendes Harz des Halbzeugs nach der Bestückung strukturiert und/oder abge trennt.

Dazu wird beispielsweise das überstehende Halbzeug nach er folgter Verkapselung abgezogen, abgeschnitten und/oder ab ge- lasert.

Im Verfahren zur Bestückung und simultanen Versiege lung/Verkapselung der offenen Stellen wie Spalte und Zwi schenräume nach der Erfindung werden außer dem Verbindungsma terialauftrag vor der Bestückung mit Halbleiterbauteilen und Verbindung durch Drucksinterung und/oder Verlöten vorgefer tigte Halbzeug-Rahmen um den Verbindungsmaterialauftrag des leistungselektronischen Bauteils gelegt, so dass ein Teil des einen oder der (mehreren) Halbzeug-Rahmen während der Drucks interung flüssig wird und in die Spalten und Zwischenräume eindringt. Dort wird das noch flüssige Harz durch beispiels weise Kapillarkräfte gehalten.

Zur Verbindung wird beispielsweise ein Drucksinterpresse, ei ne Vorrichtung zum Verlöten und/oder eine sonstige Behandlung durch Druck und/oder Temperatur zur elektrisch leitenden Ver bindung des metallisierten Substrats mit dem elektronischen, insbesondere leistungselektronischen, Halbleiterbauteil ein gesetzt.

Als Drucksinterpresse kann beispielsweise eine mechanische Servo-Presse zur Erzeugung von mechanischem Druck auf zu fü gende Komponenten eingesetzt werden.

Beispielsweise wird das Drucksintern mit den folgenden Para metern durchgeführt: Sinterdrücke beim Drucksintern bei spielsweise im Bereich von 10 bis 20 MPa, Temperaturen bei spielsweise im Bereich von 230°C bis 260°C mit Sinterzeiten beispielsweise im Bereich von 120 bis 240 Sekunden. Diese An gaben sind nur Beispiele und können jeweils in beliebigen Kombinationen und völlig unabhängig voneinander vorliegen.

Beispielsweise wird das Löten dabei, natürlich in Abhängig keit vom Schmelzpunkt, und/oder -bereich der eingesetzten Le gierungien) bei Prozesstemperaturen von 150°C bis 250°C durchgeführt. Beispielsweise hat das Lotmaterial „SAC305®" mit 96,5 Gew% Sn, 3,0Gew% Ag und 0,5 Gew% Cu einen Schmelz punkt von ca. 217°C.

Nach beendeter Verbindung durch beispielsweise Drucksinterung oder Verlöten und Abkühlen der leistungselektronischen Bau teile füllt das Harz als Duroplast irreversibel formfest die Zwischenräume und Spalten aus.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das durch eine Verbindungstechnik wie Drucksintern und/oder Verlöten eines Bauteils zusammen mit dem Halbzeug verkapselte leistungselektronische Bauteil getempert, also nachgehärtet.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand eines schematisch dargestellten Ablaufs des Verfahrens in den Figuren 1 bis 4 näher erläutert:

Figur 1 zeigt in der Draufsicht zwei vordefinierte Einbau plätze mit Verbindungsmaterial-Auftrag, also beispielsweise Sintermaterialauftrag,

Figur 2 zeigt die gleiche Draufsicht, wobei um beide Einbau plätze jeweils ein Halbzeug-Rahmen liegt,

Figur 3 zeigt wieder die gleiche Draufsicht, einen Verarbei tungsschritt weiter mit den jeweils auf dem Verbindungsmate rial aufgebrachten leistungselektronischen Bauteilen und Figur 4 zeigt wieder einen Prozessschritt weiter nach dem Drucksintern die montierten leistungselektronischen Bauteile auf einem Substrat.

Figur 1 zeigt zwei Einbauplätze 1 und 2, die mit Halbleiter bauteilen wie Chip, Diode, FET Feld-Effekt Transistor, IGBT/Power FET-FC-Padkonfiguration, FFC- und/oder Dioden- Padkonfiguration 1 respektive 2 zu bestücken sind. Links ist ein Einbauplatz für ein multipotential anschließbares Halb leiterbauteil 1 und rechts ein Einbauplatz für ein unipoten- tial anschließbares Halbleiterbauteil 2 dargestellt. Beide befinden sich bei der hier gezeigten Ausführungsform auf ei nem Substrat, beispielsweise einem keramischen Substrat, das jeweils die für den Einbauplatz typische Metallisierung auf weist. Der - beispielsweise als IGBT-FC-Padkonfiguration vor liegende Einbauplatz 1 zeigt dabei einen elektrischen Pad- Anschluss 4 und wird deshalb bei der Montage multipotential elektrisch verbunden. Rechts davon liegt ein Einbauplatz 2 für ein Halbleiterbauteil wie ein FFC oder eine Dioden- Padkonfiguration vor, die bei der Montage unipotential ange schlossen, also elektrisch kontaktiert wird.

Beide Einbauplätze 1 und 2 haben gemäß Figur 1 schon mittig einen Auftrag an elektrisch leitfähigem Verbindungsmaterial 3, wobei der multipotential anzuschließende Einbauplatz 1 auch am Anschluss-Pad 5 zusätzlich einen Auftrag an elektrisch leitfähigem Verbindungsmaterial 3 hat.

Als elektrisch leitfähiges Verbindungsmaterial 3 eignet sich beispielsweise Sintermaterial und/oder Lotmaterial und/oder sonstiges elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial und/oder Leitkleber .

Figur 2 zeigt die gleiche Ansicht des Substrats von oben mit den Einbauplätzen 1 und 2, allerdings ist hier schon ein Halbzeug 6 als Rahmen um das elektrisch leitfähige Verbin dungsmaterial 3, beispielsweise das Sintermaterial 3, gelegt. Dabei ist besonders gut zu erkennen, wie der - möglicherweise sogar individuell - vor-konfektionierte Rahmen 6 das Sinter material auf dem Anschluss-Pad 5 des Einbauplatzes 1 umgibt. Das ist ein Beispiel für ein auf ein Halbleiterbauteil 1 vor konfektioniertes Halbzeug 6. Das Halbzeug 6, das als Isolati onsrahmen dient, ist ein Prepreg, also ein als B-Stage Poly mer, insbesondere vorteilhafterweise mit einer Faserverstär kung, beispielsweise einer Glasfaserverstärkung, vorliegendes Kunstharz.

Insbesondere ist aber auch die Verwendung von Halbzeugen 6 in der Massenfertigung Gegenstand der Erfindung, so dass der Einsatz von standardisierten Halbzeugen 6 für standardisierte leistungselektronischen Halbleiterbauteile ohne individuell angepasste Vor-Konfektionierung geplant ist.

Das Halbzeug 6 kann beispielsweise automatisiert und/oder mit Standard-Bestückungsvorrichtungen platziert werden.

Als „standardisiert" werden dabei nicht nur international als Standard festgelegte Halbleiterbauteile bezeichnet, sondern generell als Massenprodukte hergestellte Halbleiterbauteile und dazu passende Halbzeuge sowie Bestückungsvorrichtungen.

Figur 3 zeigt in der Draufsicht von oben die beiden Halblei terbauteile 7 der beiden Einbauplätze 1 und 2, beispielsweise durch Warmbestückung aufgebrachte Dies 7.

Nach der Bestückung und Verbindung mit simultaner Isolation des Halbleiterbauteils (7) auf einem Einbauplatz (1,2) ist vorteilhafterweise vorgesehen, das bestückte Substrat noch einer Temperatur-Behandlung zu unterwerfen, damit die elektrisch leitfähige Verbindung und die isolierende Verkap selung verfestigt respektive vollständig durchgehärtet wer den.

So erfolgt ein Nachtempern des durch Drucksintern, Verlöten und/oder Verkleben verbundenen und durch Schmelzen des Halb zeugs verkapselten Bauteils zur vollständigen Aushärtung des Harzes respektive der elektrisch leitfähigen Sinter - , Löt - und/oder Klebeverbindung.

Figur 4 schließlich zeigt den in den Figuren 1 bis 3 aus der Vogelperspektive gezeigten Schichtaufbau des bestückten Sub strats an der Stelle der Einbauplätze 1 und 2 als Quer- schnittsansicht .

Zu erkennen sind bei beiden Bauteilen 1 und 2 folgende Schichten: Halbzeug-Schicht 6, die den Aufbau seitlich ein- rahmt, stellt das durch Drucksintern in den Zwischenräumen und/oder Spalten verteilte Harz aus dem Halbzeug 6. Schicht 3 zeigt das durch Drucksintern verfestigte Sintermaterial 3.

Die Bauteile 7 sitzen oben auf den durch Sintermaterial 3 galvanisch verbundenen und Harz 6 elektrisch isolierten Ein bauplätzen 1 und 2.

Durch die Erfindung werden vielfache Vorteile erzielt, insbe sondere wie die Prozessvereinfachung durch Simultanprozessie- rung, der Verzicht auf ein Dispensauftragsverfahren, wie das Underfill-Verfahren mit den entsprechenden Aufwänden und Feh lerquellen, die starke Verkürzung der Herstellungszeiten durch Vermeidung von langsamen Aushärteschritten und die wei tergehende Nutzung und Übernahme von bekannten Erfahrungen aus der Leiterplattenfertigung hinsichtlich des Materials und der Prozessierung.

Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, in einem Pro zessschritt eine versiegelte isolierende Verkapselung durch ein verbindungstechnisches Verfahren wie beispielsweise das Drucksintern herzustellen. Dazu wird ein elektrisch isolie rendes Halbzeug im B-Zustand um das elektrisch leitfähige Verbindungsmaterial, beispielsweise das Sintermaterial, vor dem Drucksintern aufgebracht. Die Erfindung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass bei der Bestückung von halbleitenden Bauelementen in einem Arbeitsgang, vorzugsweise durch Druck- sintern, simultan elektrisch verbunden und elektrisch iso liert wird.