DE102006031844B4

DE102006031844B4 - Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem Träger durch Drucksinterung und somit hergestellte Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102006031844B4
Application number: DE200610031844
Authority: DE
Inventors: Gerhard Palm; Prof. Waag Andreas
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2026-07-08
Also published as: WO2008003308A1; EP2038921A1; DE102006031844A1

Abstract

Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen (3) auf einem Träger durch Drucksinterung, durch: – Beschichten mindestens einer Folie (1) als Träger mit mindestens einem elektrischen Kontakt mit einer Edelmetalllegierung (2); – Aufbringen einer metallhaltigen Kontaktschicht (4) auf Kontaktoberflächen des mindestens einen zu befestigenden elektronischen Bauelementes (3), und – Positionieren des mindestens einen elektrischen Bauelementes (3) auf der mindestens einen Folie (1) so, dass die mindestens eine Kontaktoberfläche des Bauelements auf der Edelmetalllegierung (2) der mindestens einen Folie (1) aufliegt, gekennzeichnet durch – Bilden einer Drucksinterverbindung durch Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einer Folie (1) und mindestens einem elektronischen Bauelement (3) mit Druck und Temperatur bis zu 250°C.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem Träger durch Drucksinterung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus US 4084985 A bekannt ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung gemäß dem Anspruch 8 hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Die Drucksinterverbindung elektronischer Bauelemente auf einem Substrat sind noch aus der DE 10 2004 019 567 B3 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, eine pastöse metallhaltige Schicht auf eine Trägerfolie aufzubringen, zu trocknen und anschließend von der Trägerfolie auf die Kontaktoberfläche eines elektronischen Bauelementes zu übertragen. Die nunmehr mit einer metallhaltigen Kontaktschicht versehenden Bauelemente werden auf einer Platine als Substrat positioniert. Anschließend erfolgt eine Drucksinterung durch Druck- und Temperaturbeaufschlagung der Anordnung aus Platine und Bauelement zur Sinterverbindung.
In der DE 3414065 C2 wird die metallhaltige pastöse Schicht direkt auf die zu verbindende Kontaktfläche des Bauelementes oder des Substrats aufgebracht und die Drucksinterung durchgeführt, nachdem Lösungsmittel aus dem Verbund aus Bauelement, pastöser Schicht und Substrat ausgetrieben wurde.
Zur Reduzierung der durch den Trockenvorgang und des Ausgasens relativ langen Prozesszeit wird in der EP 0242626 B1 vorgeschlagen, zunächst die metallhaltige pastöse Schicht zu trocknen und erst dann das Bauelement auf das Substrat aufzubringen.
Die DE 10 2004 019 567 B3 lehrt darüber hinaus, die metallhaltige pastöse Schicht zunächst auf eine Trägerfolie aufzubringen und zu trocknen und durch Druckbeaufschlagung unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Haftkraft zwischen pastöser Schicht und Bauelement und pastöser Schicht und Trägerfolie von der Trägerfolie auf die Kontaktfläche des elektronischen Bauelements zu übertragen. Abschließend wird das Bauelement mit der aufgebrachten Schicht durch Drucksintern auf einem Substrat befestigt.
Die US 4084985 A offenbart eine Solarzelle, die nach Aufbringen einer Metallschicht auf eine Folie auf dieser metallisierten Folie kontaktiert wird. Die Kontaktierung kann beispielsweise durch Erhitzen auf Temperaturen von etwa 400°C erfolgen, um die Partikel einer leitenden Epoxyschicht zu sintern und die metallhaltige Kontaktschicht zu bilden. Es erfolgt ein Verpressen des körnigen Materials und anschließend ein Aushärten.
Es seien noch US 6248948 B1 und DE 10113769 A1 zu nennen, in denen Halbleiterbauelemente auf Folien als Substrate befestigt werden, jedoch ohne Drucksintern.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem folienhaften Träger durch Drucksinterung zu schaffen und eine somit hergestellte Schaltungsanordnung zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch Bilden einer Drucksinterverbindung durch Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einer Folie und mindestens einem elektronischen Bauelement mit Druck und Temperatur bis höchstens 250°C, wobei eine Schaltunganordnung mit einer verbesserten Verbindung der Bauelemente auf einem folienartigen Träger entsteht.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Nutzung einer Folie als Trägersubstrat für den Drucksinterprozess geeignet ist, ohne dass diese sich durch die Druckbeaufschlagung und den Hitzeeinfluss verformt. Dabei kann ein Drucksinterverbund mit erheblicher Haftkraft zwischen Folie, Sinterverbundschicht und elektronischem Bauelement geschaffen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Folie mit einer Edelmetalllegierung beschichtet wird. Eine solche edelmetallbeschichtete Folie hält den Einflüssen der Drucksinterung stand und gewährleistet einen hochwertigen Sinterverbund mit einer metallhaltigen Kontaktschicht auf Kontaktoberflächen der elektronischen Bauelemente.
Die Nutzung einer Folie und die elektrische Kontaktierung mit der Folie und der elektronischen Bauelemente mittels Drucksinterverfahren hat den Vorteil, dass eine flexible Schaltungsanordnung geschaffen wird, die einfach und preiswert herstellbar ist.
Die Folie wird vorzugsweise mit einer Titan-Platin-Gold-Legierung beschichtet. Hierdurch werden eine gute Haftung des Drucksinterverbunds an der Folie und ein guter Drucksinterverbund mit der metallhaltigen Kontaktschicht auf den Kontaktoberflächen des elektronischen Bauelementes gewährleistet.
Die metallhaltige Kontaktschicht auf den Kontaktoberflächen der elektronischen Bauelemente besteht vorzugsweise aus einer silberhaltigen Legierung oder aus Silber.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine weitere Folie mit einer Edelmetalllegierung beschichtet wird und eine erste Folie angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Unterseite des mindestens einen elektronischen Bauelements und eine zweite Folie angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Oberseite des mindestens eine elektronischen Bauelements positioniert wird und dieser Verbund aus zwei Folien mit zwischen liegenden elektronischen Bauelementen zur Drucksinterung druck- und temperaturbeaufschlagt wird.
Eine der Folien kann dabei als Träger und die andere Folie als Ersatz von Bond-Verbindungen zur Kontaktierung mehrerer elektronischer Bauelemente untereinander genutzt werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Edelmetalllegierung strukturiert auf mindestens eine der Folien aufgebracht wird. Entsprechend kann auch die metallhaltige Kontaktschicht strukturiert auf das elektronische Bauelement aufgetragen werden. Damit wird erreicht, dass elektrische Verbindungen an ausgewählten Kontaktstellen im Drucksinterverfahren hergestellt werden.
Die Folie hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 20 bis 200 μm. Als für den Drucksinterprozess geeignete Folien haben sich Folien herausgestellt, die Polyimid enthalten. Insbesondere geeignet sind Folien, die an sich zur Verwendung in Flachbildschirmen vorgesehen sind. Derartige Folien werden beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Apical^® von der Firma Kaneka in Japan hergestellt. Besonders geeignet ist die Folie Polyimid Film Apical 100 NP mit einer Dicke von 25 μm, 200 NP mit einer Dicke von 50 μm, 300 NP mit der Dicke von 75 μm und 500 NP mit einer Dicke von 125 μm. Der Koeffizient der thermischen Expansion liegt im Bereich von 15 bis 16 ppm/dC. Das Zugmodul sollte größer als 3,4 sein und vorzugsweise im Bereich von 3,6 bis 4,4 liegen. Bevorzugt beträgt das Zugmodul 4,0 bis 4,2.
Mögliche weitere geeignete Folien sind die 3M Oberflächenschutzfolie 76911 „Ultra Clear” mit einer Dicke von 0,05 mm der Firma 3M Deutschland, Neuss oder die PFA Folie transparent Typ 100 lp mit einer Dicke von 0,0127 mm der Firma Angst und Pfister, Mörfelden.
Die Zugfestigkeit sollte mindestens 260 MPa betragen und im Bereich von 360 bis 330 MPa liegen.
Die Aufgabe wird weiterhin durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 – Schematische Darstellung des Verfahrensablaufs zur Befestigung elektronischer Bauelemente auf eine Folie durch Drucksinterung.
Die 1 lässt eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 auf einer Folie 1 durch Drucksinterung erkennen.
In einem ersten Schritt a) wird die Folie 1 mit einer Edelmetalllegierung 2, die im Wesentlichen Titan, Platin und Gold enthält, beschichtet.
In einem zweiten Schritt b) wird eine metallhaltige Kontaktschicht 4 in an sich bekannter Weise beispielsweise in Form einer silberhaltigen Legierung oder als Silberpulver auf Kontaktoberflächen des mindestens einen zu befestigenden Bauelementes 3 aufgebracht. Hierzu kann beispielsweise ein Silberpulver mit organischen Lösungsmitteln aufgeschlämmt und auf eine vorher mit Hilfe einer Schablone erzeugte Verbindungsfläche aufgetragen werden. Das Auftragen der metallhaltigen Kontaktschicht 4 kann beispielsweise mit einer Airbrush-Pistole oder mit Hilfe von Siebdruckverfahren aufgetragen werden. Anschließend wird die Schablone entfernt und die pastöse metallhaltige Kontaktschicht 4 bei etwa 150°C getrocknet. Zurück bleibt eine Pulverschicht, die aus lose aufeinander liegenden Silberkörnern besteht.
In einem dritten Schritt c) wird dann das mindestens eine elektronische Bauelement 3 auf der mindestens einer Folie 1 so positioniert, dass die mindestens eine mit der metallhaltigen Kontaktschicht 4 beschichtete Kontaktoberfläche auf der Edelmetalllegierung 2 der Folie 1 aufliegt.
In einem letzten Schritt d) wird die Anordnung aus elektronischem Bauelement 3 und Folie 1 mit zwischen liegender Edelmetalllegierung 2 und metallhaltiger Kontaktschicht 4 in einer Presse bei einem Druck von mindestens 30 MPa und einer Temperatur im Bereich von 150 bis 250°C stoffschlüssig verbunden.
Hierdurch wird ein Sinterverbund zwischen metallhaltiger Kontaktschicht 4 und Edelmetalllegierung 2 geschaffen.
Bei der Drucksinterung löst sich im Unterschied zur Übertragung einer metallhaltigen pastösen Kontaktschicht 4 mit einer Transferfolie auf das Bauelement 3, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, die Edelmetallschicht 4 nicht von der Folie 1. Zudem halt die Folie 1 aufgrund des Drucks und der Temperatur bei der Drucksinterung stand und wellt sich nicht. Dies dürfte unter anderem ein Resultat der Beschichtung der Folie 1 mit der Edelmetalllegierung 2 sein.
Da die Folie 1 in der Regel keine große Oberflächenrauhigkeit aufweist, können die elektronischen Bauelemente 3 sehr dünn sein, beispielsweise eine Dicke im Bereich von 30 μm haben.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist es auch möglich, die Oberseite der elektronischen Bauelemente 3 mit dem Verfahren zu verbinden, indem eine weitere Folie mit einer Edelmetalllegierung 2 beschichtet und auf eine Kontaktoberfläche auf der Oberseite des Bauelements 3 aufgelegt ist. Die Kontaktoberfläche auf der Oberseite des Bauelementes 3 ist wiederum mit einer metallhaltigen Kontaktschicht 4, beispielsweise mit Silberpulver versehen. Dieser gesamte Verbund aus zwei Folien mit zwischen liegendem mindestens einem elektronischen Bauelement 3 wird dann einer Drucksinterung unterzogen.
Der Drucksinterverbund zwischen Folie 1 und Bauelement 3 hat den Vorteil, dass keine flüssige Phase wie beispielsweise bei Lötprozessen erforderlich ist und keine Lunkerbildungen und Verunreinigungen durch Flussmittel auftreten. Die resultierende Schaltungsanordnung hat eine absolut bleifreie Kontaktverbindung mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Trotz der niedrigen Verbindungstemperatur im Bereich von 150 bis 250°C ist der Sinterverbund bis etwa 900°C stabil.
Insgesamt ergibt sich für die Schaltungsanordnung eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Claims

Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen (3) auf einem Träger durch Drucksinterung, durch: – Beschichten mindestens einer Folie (1) als Träger mit mindestens einem elektrischen Kontakt mit einer Edelmetalllegierung (2); – Aufbringen einer metallhaltigen Kontaktschicht (4) auf Kontaktoberflächen des mindestens einen zu befestigenden elektronischen Bauelementes (3), und – Positionieren des mindestens einen elektrischen Bauelementes (3) auf der mindestens einen Folie (1) so, dass die mindestens eine Kontaktoberfläche des Bauelements auf der Edelmetalllegierung (2) der mindestens einen Folie (1) aufliegt, gekennzeichnet durch – Bilden einer Drucksinterverbindung durch Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einer Folie (1) und mindestens einem elektronischen Bauelement (3) mit Druck und Temperatur bis zu 250°C.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Beschichten der Folie (1) mit einer Titan-Platin-Gold-Legierung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Kontaktschicht (4) aus einer silberhaltigen Legierung oder aus Silber gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Beschichten einer weiteren Folie (1) mit einer Edelmetalllegierung (2), – Positionieren der einen Folie (1) angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Unterseite des mindestens einen elektronischen Bauelementes (3) und Positionieren der weiteren Folie (1) angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Oberseite des mindestens einen elektrischen Bauelementes (3), und – Bilden einer Drucksinterverbindung durch Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einem elektrischen Bauelement (3) und den Folien (1) auf der Ober- und Unterseite des mindestens einen elektronischen Bauelementes (3) mit Druck und Temperatur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch strukturiertes Aufbringen der Edelmetalllegierung (2) auf mindestens eine der Folien (1) und/oder der metallhaltigen Kontaktschicht (4) auf das elektronische Bauelement.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) eine Dicke im Bereich von 20 bis 200 μm hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) aus Polyimid gebildet ist.
Schaltungsanordnung hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 mit mindestens einem elektronischen Bauelement (3) und mindestens einem Träger, wobei der Träger eine edelmetallbeschichtete Folie (1) ist und mindestens ein elektronisches Bauelement (3) mit der Folie (1) mittels Drucksinterverbindung derart miteinander verbunden und elektrisch kontaktiert ist, dass die Edelmetalllegierung (2) der Folie (1) einen Sinterverbund mit einer Kontaktmetallschicht des mindestens einen elektronischen Bauelementes (3) bildet und der Sinterverbund integral mit der Folie (1) und dem elektronischen Bauelement (3) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetalllegierung (2) eine Titan-Platin-Gold-Legierung ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmetallschicht aus einer Silberlegierung oder Silber besteht.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen durch die eine Folie (1) auf der Unterseite der elektronischen Bauelemente (3) und der weiteren Folie (1) auf der Oberseite der elektronischen Bauelemente (3) mittels Drucksinterverbindungen miteinander verbunden und elektrisch kontaktiert sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) eine Dicke im Bereich von 20 bis 200 um hat.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) aus Polyimid gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauelemente (3) Halbleiterbauelemente, integrierte Schaltungen auf Halbleitersubstraten und/oder RFID-Transponder sind.