DE102004019567B3

DE102004019567B3 - Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102004019567B3
Application number: DE102004019567A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Palm
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Danfoss Elektronik & Co Kg De GmbH
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-04-23

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen, insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen, wie Dioden, Transistoren oder Thyristoren, auf einem Substrat mittels Drucksintern mit den Verfahrensschritten: Aufbringen einer aus einem Metallpulver und einem Lösungsmittel bestehenden pastösen Schicht auf eine Trägerfolie; Trocknen der pastösen Schicht; Aufbringen von mindestens einem Bauelement auf die getrocknete Schicht; Druckbeaufschlagung des Verbunds aus dem mindestens einen Bauelement und der Trägerfolie mit der getrockneten Schicht, wodurch die Haftkraft zwischen der Schicht und dem Bauelement größer wird als zwischen der Schicht und der Trägerfolie; Abheben des mindestens einen Bauelements mit daran haftender Schicht von der Trägerfolie; Positionierung des Bauelements mit der daran haftenden Schicht auf dem Substrat; Druckbeaufschlagung der Anordnung des Substrats und des Bauelements zu deren Sinterverbindung.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen, insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen wie Dioden, Transistoren oder Thyristoren, auf einem Substrat. Bei dem Verfahren handelt es sich um ein Sinterverfahren, wie es grundsätzlich bereits seit langem bekannt ist.

Den grundlegenden Stand der Technik hierzu bilden die DE 34 14 065 C2 sowie die EP 0 242 626 B1 . Die DE 34 14 065 C2 offenbart ein Verfahren, das durch folgende wesentliche Verarbeitungsschritte gekennzeichnet ist:

• Aufbringen einer aus einem Metallpulver und einem Lösungsmittel bestehenden pastösen Schicht auf die zu verbindende Kontaktfläche des Bauelements oder des Substrats;
• Aufbringen des Bauelements auf das Substrat, wobei die pastöse Schicht zwischen dem Bauelement und dem Substrat angeordnet wird;
• Austreiben des Lösungsmittels aus dem Verbund aus Bauelement, pastöser Schicht und Substrat;
• Erwärmung des Verbunds auf Sintertemperatur, vorzugsweise unter zusätzlicher Druckbeaufschlagung.

Nachteilig am genannten Stand der Technik ist, dass der Trockenvorgang der pastösen Schicht nach dem Zusammenfügen des Bauelements und des Substrats durchgeführt wird. Da hier ein schnelles Ausgasen über eine große Oberfläche nicht möglich ist, ist dieses Verfahren durch erhebliche Prozesszeiten gekennzeichnet. Die EP 0 242 626 B1 offenbart demgegenüber ein Verfahren, das durch folgende wesentliche Verarbeitungsschritte gekennzeichnet ist:

• Aufbringen einer aus einem Metallpulver und einem Lösungsmittel bestehenden pastösen Schicht auf die zu verbindende Kontaktfläche des Bauelements oder des Substrats;
• Trocknen der pastösen Schicht;
• Aufbringen des Bauelements auf das Substrat, wobei die getrocknete pastöse Schicht zwischen dem Bauelement und dem Substrat angeordnet wird;
• Erwärmung des Verbunds auf Sintertemperatur unter zusätzlicher Druckbeaufschlagung.

Dieses Verfahren vermeidet den Hauptnachteil des erstgenannten Stands der Technik. Allerdings weist dieses Verfahren, wie auch das erstgenannte den Nachteil auf, dass es sich um ein rein serielles Verfahren handelt, das einer modernen und rationellen Fertigung derartiger Verbindungen entgegen steht.

Ebenso nachteilig an den genannten Verfahren ist, dass ein strukturiertes Aufbringen der pastösen Schicht auf das Bauelement oder das Substrat nur unter erheblichem Aufwand möglich ist.

Weiterhin sind aus der JP 03-46242 A, der DE 197 34 317 A1 und aus der EP 09 49 662 A2 Verfahren bekannt zum Bauteiletransfer von einem Zwischenträger auf einen finalen Bauteileträger. Hierbei wird auf vielfältige aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, wie Eutektikbonden, Lötbonden und Klebeverfahren abgestellt. Aus den Druckschriften JP 54-19363 A und JP 60-63939 A sind Verfahren bekannt zum Aufbringen von Pasten auf ein entsprechendes Trägermaterial bekannt. Die JP 54-19363 A offenbart hierbei ein Verfahren zur Übertragung einer Paste, die als Film auf eine Platte aufgebracht wurden, auf ein Halbleiterbauelement. Die JP 60-63939 A offenbart die Übertragung einer Paste von einem Transferträger in eine Kavität eines Substrats.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe ein Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem Substrat mittels Drucksintern vorzustellen, welches einer rationellen und zumindest teilweise parallelen Verarbeitung einer Mehrzahl von Bauelementen zugänglich ist sowie eine strukturierte Ausgestaltung der Sinterschicht erlaubt.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen, insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen wie Dioden, Transistoren oder Thyristoren, auf einem Substrat mittels Drucksintern ist gekennzeichnet durch folgende wesentliche Verfahrensschritten:

a) Aufbringen einer pastösen Schicht auf eine Trägerfolie. Hierbei besteht diese Schicht gemäß dem Stand der Technik aus einem Gemisch aus einem Metallpulver und einem Lösungsmittel.
b) Trocknen der pastösen Schicht.
c) Aufbringen von mindestens einem, vorteilhafterweise einer Mehrzahl von Bauelementen auf die getrocknete Schicht. Hierbei sind die Bauelemente vorzugsweise auf einer über einem Rahmen aufgespannten Trägerfolie angeordnet.
d) Druckbeaufschlagung des Verbunds aus dem mindestens einem Bauelement und der Trägerfolie mit der getrockneten Schicht. Hierdurch wird die Haftkraft zwischen der Schicht und dem Bauelement größer als die Haftkraft zwischen der Schicht und der Trägerfolie.
e) Abheben des mindestens einen Bauelements mit daran haftender Schicht von der Trägerfolie.
f) Positionierung des mindestens eine Bauelements mit der daran haftenden Schicht auf dem Substrat.
g) Druckbeaufschlagung der Anordnung des Substrats und des mindestens einen Bauelements, wodurch die Sinterverbindung entsteht.

Für einen nicht homogenen Auftrag der pastösen Schicht auf das Bauelement wird vor dem Prozessschritt (a) die Trägerfolie entsprechend strukturiert. Hierzu werden mit bekannten Techniken Ausnehmungen in die Folie eingebracht. Beim Aufbringen der Schicht wird diese somit ohne weiteren Aufwand direkt strukturiert. Diese Struktur wird anschließend im Prozessschritt (c) ebenso einfach auf die Bauelemente übertragen.

Nachfolgend wird der erfinderische Gedanke anhand der 1 bis 4 beispielhaft erläutert.
1 zeigt den Verfahrensschritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt den Verfahrensschritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt die Verfahrensschritte (e, f) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt den Verfahrensschritt (g) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt den Verfahrensschritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Basis bildet eine Trägerfolie (10), vorzugsweise eine Polyesterfolie mit einer Dicke zwischen 100μm und 200μmm. Hierauf wird mittels eines Sprühverfahrens (22) eine pastöse Schicht (20) aufgebracht. Ebenso anwendbar sind andere nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren, wie beispielsweise ein Siebdruckverfahren. Die pastöse Schicht besteht (20) aus einer Mischung eines Metallpulvers, vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung, mit Cyclohexanol im Verhältnis von 1:2 bis 1:4. Die Schichtdicke dieser Schicht beträgt zwischen 10μm und 50μm.
Um Bauelemente nicht flächig, sondern strukuriert zu beschichten, wie es beispielhaft für Steueranschlüsse notwendig sein kann, wird die Trägerfolie (10) vor der Beschichtung in sich strukturiert.
In einem weiteren Verfahrensschritt (b) wird die aufgebrachte pastöse Schicht (20) bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C getrocknet.
Anschließend werden die Bauelemente (40) im Verfahrensschritt (c) auf die nun getrocknete Schicht (20') aufgebracht. Hierbei sind die Bauelemente (40) nach dem Stand der Technik auf einer in einen Rahmen (32) gespannten Folie (34) angeordnet. Diese Anordnung der Bauelemente (40) erfordert keinen zusätzlicher Arbeitsschritt, da der letzte Fertigungsschritt der Herstellung von Halbleiterbauelementen das Sägen der im Waferverbund vorhandenen Bauelemente ist und hierzu die Bauelemente (40) auf derartige Trägervorrichtungen (30) aufgebracht werden. Somit werden die Bauelemente (40) auf dieser Vorrichtung (30) belassen, wie es auch für andere nach dem Stand der Technik bekannte Verarbeitungsschritte von ungehausten Bauelementen üblich ist.
2 zeigt den Verfahrensschritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird der Verbund aus Trägerfolie (10), getrockneter Schicht (20') und Bauelementen (40) mit Druck beaufschlagt. Als vorteilhaft hat sich hierbei ein Druck (70) zwischen 20 MPa und 80 MPa und eine Temperatur zwischen 40°C und 100°C erwiesen. Der hierbei eingeleitete Druck ist ausreichend um eine Verbindung zwischen dem Bauelement (40) und der getrockneten Schicht (20') herzustellen, die eine höhere Haftkraft aufweist als die Verbindung zwischen der Trägerfolie (10) und dem Bauelement (40).
In einem weiteren Verfahrensschritt (e) werden die beschichteten Bauelemente (40, 20'') aus dem Verbund gelöst und an denjenigen Stellen eine Substrats (50) angeordnet, an denen die Verbindung zwischen den Bauelementen (40) und dem Substrat (50) hergestellt werden soll. Hierbei können Abnahmevorrichtungen (60), wie sie aus so genannten „Pickand- Place- Automaten" der Halbleiterbauelementverarbeitung bekannt sind, verwendet werden. 3 zeigt für den Verfahrensschritt (f) eine derartige Vorrichtung (60). Hierbei drückt ein Stempel (60), der mit einem Nadelsystem ausgestattet ist, von der dem Bauelement (40) abgewandten Seite auf die Trägerfolie (34) der Vorrichtung (30). Hiermit wird das Bauelement (40) zumindest von der Trägerfolie (34) abgehoben. Vollständig getrennt wird das Bauelement (40) durch das Nadelsystem, das die Folie (32) durchsticht. Somit können mit bekannten Techniken einzelne Bauelement (40) beliebig auf einer Leiterbahn (52) des Substrats (50) positioniert werden.
In einem abschließenden Verfahrenschritt (g) wird die Anordnung aus Bauelement (40) mit abgeschiedener Schicht (20'') und Substrat (50) mit Druck von mehr als 30 MPa beaufschlagt. Bei gleichzeitiger Erwärmung (ϑ) auf Werte von mehr als 220°C wird die Sinterverbindung hergestellt.

Claims

Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen (40), insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen wie Dioden, Transistoren oder Thyristoren, auf einem Substrat (50) mittels Drucksintern mit den Verfahrensschritten: a) Aufbringen einer aus einem Metallpulver und einem Lösungsmittel bestehenden pastösen Schicht (20) auf eine Trägerfolie (10); b) Trocknen der pastösen Schicht (20); c) Aufbringen von mindestens einem Bauelement (40) auf die getrocknete Schicht (20'); d) Druckbeaufschlagung (70) des Verbunds aus dem mindestens einen Bauelement (40) und der Trägerfolie (10) mit der getrockneten Schicht (20'), wodurch die Haftkraft zwischen der Schicht (20') und dem Bauelement (40) größer wird als zwischen der Schicht (20') und der Trägerfolie (10); e) Abheben des mindestens einen Bauelements (40) mit daran haftender Schicht (20'') von der Trägerfolie (10); f) Positionierung des Bauelements (40) mit der daran haftenden Schicht (20'') auf dem Substrat (50); g) Druckbeaufschlagung (80) der Anordnung des Substrats (50) und des Bauelements (40) zu deren Sinterverbindung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallpulver aus Silber oder einer Silberlegierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trägerfolie (10) aus einen Polyesterfolie mit einer Dicke zwischen 100μmm und 200μmm besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trägerfolie (10) in sich strukturiert ist um das Bauelement (40) strukturiert zu beschichten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die pastöse Schicht (20) aus einer Mischung aus Silberpulver mit Cyclohexanol im Verhältnis von 1:2 bis 1:4 besteht und eine Schichtdicke zwischen 10μm und 50μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die pastöse Schicht (20) bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbund aus Bauelement (40) und Trägerfolie (10) mit pastöser Schicht (20') für 5 bis 20 Sekunden mit einem Druck zwischen 20 MPa und 80 MPa und einer Temperatur zwischen 40°C und 100°C beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Bauelementen (40) mittels einer auf der der Schicht (20) abgewandten Seite mittels eines Trägers (30) bestehend aus einem Rahmen (32) und einer Haftfolie (34) zueinander angeordnet sind.