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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktierung von elektrischen
Kontaktflächen
eines elektronischen Bauteils sowie eine Anordnung mit einem elektronischen
Bauteil mit wenigstens einer elektrischen Kontaktfläche.
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Elektronische
Bauteile wie Chips, die Leistungshalbleiter-Bauelemente enthalten, werden üblicherweise
einseitig auf Metallisierungsflächen
auf einem isolierenden Keramiksubstrat, beispielsweise ein DCB(=
Direct Copper Bond), aufgelötet.
Metallisierungsflächen
auf der Oberseite eines solchen Chips werden üblicherweise mittels Drahtbondungen oder
aufgelöteten
Bügeln
mit weiteren Metallisierungsflächen
auf dem Keramiksubstrat verbunden, so dass ein elektrischer Schaltkreis
entsteht.
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Der
Anschluss des Schaltkreises nach außen, beispielsweise zu Stromschienen
oder einer Steuerplatine, erfolgt beispielsweise durch aufgelötete Stifte
oder Laschen, durch eine Schweißung
oder durch Ultraschallbondung zu Kontaktstiften im Gehäuse. Es
ist weiterhin bekannt, Federkontakte zur Ankontaktierung der weiteren
Metallisierungsflächen zu
verwenden.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, ein vereinfachtes
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer
elektrischen Kontaktfläche
auf einem elektronischen Bauteil anzugeben. Weiterhin ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine vereinfachte Anordnung mit einem elektronischen
Bauteil mit einer elektrischen Kontaktfläche anzugeben, bei der die
Kontaktfläche
kontaktiert ist.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit
den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Hinsichtlich der Anordnung wird die Aufgabe durch eine Anordnung
mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Kontaktierung wenigstens einer elektrischen Kontaktfläche eines
elektronischen Bauteils wird auf die Kontaktfläche galvanisch eine robuste
Metallisierung aufgebracht und die Kontaktierung mittels eines Federkontakts
vorgenommen. Als Federkontakt eignen sich dabei sowohl Spiralfedern
als auch Blattfedern.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
weist ein elektronisches Bauteil mit wenigstens einer elektrischen
Kontaktfläche
auf. Auf der Kontaktfläche
ist eine galvanisch hergestellte, robuste Metallisierung vorgesehen.
Ein Federkontakt drückt
auf die robuste Metallisierung auf und führt dadurch zur Herstellung eines
elektrischen Kontakts zur Kontaktfläche.
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Bei
dem elektronischen Bauteil kann es sich dabei um ein beliebiges
aktives oder passives Bauelement handeln oder auch einen Chip, der
eine Mehrzahl elektronischer Einzelbauelemente bündelt. Insbesondere kann es
sich bei dem Bauteil um eines der Leistungselektronik handeln, bei
dem mehr als 10 W elektrischer Leistung geschaltet oder umgesetzt
wird, insbesondere mehr als 100 W. Bei Bauteilen der Leistungselektronik
treten an der Kontaktstelle der Kontaktfläche sehr hohe elektrische Ströme und damit
Stromdichten auf, die eine sichere und stabile elektrische Kontaktierung
erschweren. Das Bauelement oder der Chip weist wenigstens eine elektrische Kontaktfläche auf,
die der elektrischen Verbindung des oder der Bauelemente des Bauteils
nach außen dienen.
Wenn das Bauelement beispielsweise auf einem Keramiksubstrat wie
einem DCB angeordnet ist, ist die Kontaktfläche vom Substrat abgewandt,
d. h. sie zeigt nach oben und muss eigens kontaktiert werden.
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Eine
Kontaktierung einer Kontaktfläche
eines Bauteils erfolgt normalerweise deshalb nicht mit einem Federkontakt,
da dieser gewöhnlich
nur in sehr eng begrenzten Bereichen einen leiten den Materialkontakt
zur Kontaktfläche
herstellt. Diese eng begrenzten Bereiche können nur geringe Ströme zerstörungsfrei
führen.
Eine Spitze, die auf dem Federkopf angebracht ist und in die Kontaktfläche eindrückt, kann
die Stromtragfähigkeit
verbessern, kann aber wiederum durch die Kontaktfläche selbst
hindurchdrücken.
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Die
Erfindung bedient sich daher einer robusten Metallisierung, die
mittels eines galvanischen Prozesses auf die Kontaktfläche aufgebracht
wird. Diese Metallisierung verstärkt
die Kontaktfläche
und erlaubt dadurch die Verwendung eines Federkontakts, der direkt
auf die Kontaktfläche
auf dem elektronischen Bauteil drückt.
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Die
robuste Metallisierung wird dabei bevorzugt hergestellt, indem folgende
Prozessschritte durchgeführt
werden:
- – Sputtern
eines sog. seed-layers, beispielsweise aus Titan und Kupfer;
- – Aufbringen
und Strukturieren eines Photolacks entsprechend der Kontaktflächen, auf
denen die Metallisierung erhalten bleiben soll;
- – Galvanisches
Aufbringen einer Kupferschicht, die beispielsweise 10 μm, 30 μm oder 50 μm dick ist;
und
- – Strippen
des Photolacks und Rückätzen des seedlayers.
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Der
beschriebene Prozessablauf ist nur skizziert und umfasst weitere,
nicht genannte Details. Auch Abwandlungen vom beschriebenen Prozess sind
möglich.
Wichtig ist, dass mithilfe eines galvanischen Prozessschritts eine
mindestens mehrere μm (Mikrometer)
dicke Schicht aus leitfähigem,
insbesondere hochleitfähigem
Material wie beispielsweise Kupfer an wenigstens einer Kontaktfläche erzeugt wird.
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Die
direkte Kontaktierung mittels des Federkontakts vereinfacht und
verbilligt vorteilhaft die Kontaktierung der elektrischen Kontaktfläche. Aus
dem Stand der Technik ist beispielsweise die Vorgehensweise bekannt,
von der Kontaktfläche
einen Bonddraht auf eine Zwischenkontaktfläche auf dem Sub strat selbst
zu führen.
Die Zwischenkontaktfläche
wird, beispielsweise wiederum mit einer Drahtbondung, mit einer
Stromschiene verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise entfallen
beide Drahtbondungen. Weiterhin entfällt auch die Zwischenkontaktfläche auf
dem Substrat, was zu einer Platzersparnis führt. Da die Prozessschritte
der Bondung vermieden werden, wird die Herstellung des kontaktierten
Bauteils auch billiger und einfacher.
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Bei
den Federkontakten, die erfindungsgemäß verwendet werden, handelt
es sich um Blattfedern. Alternativ können auch Spiralfedern zum
Einsatz kommen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Isolationsschicht
aufgebracht, bevor die Kontaktierung mittels des Federkontakts durchgeführt wird.
Dann wird entweder die Kontaktfläche
durch öffnen
eines Fensters in der Isolationsschicht freigelegt. Alternativ wird
die Kontaktierung mittels eines Federkontakts hergestellt, indem
die Isolationsschicht vom Federkontakt durchstoßen wird.
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Die
Isolationsschicht erlaubt beispielsweise, zusätzliche flächige Leiterbahnen auf den
Aufbau aufzubringen, ohne dass dabei Kurzschlüsse erzeugt werden. Als Isolationsschicht
kann beispielsweise eine Folie aus elektrisch isolierendem Kunststoff
verwendet werden. Diese wird beispielsweise per Vakuumtiefziehen
auf das Bauteil und ein darunterliegendes Substrat auflaminiert.
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Zum Öffnen des
Fensters bestehen verschiedene Möglichkeiten.
Bei einem Folientyp, der optimiert ist auf eine geringe Wärmeausdehnung
und hohe elektrische Isolation, kann es nötig sein, eine Strukturierung
mittels Laser-Ablation vorzunehmen. Alternativ gibt es auch photostrukturierbare
Folien, bei denen eine vereinfachte Strukturierung analog zu einem
Lackstripping-Prozess möglich
ist.
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Die
Isolationsschicht oder Isolationsfolie erlaubt es beispielsweise,
die robuste Metallisierung, die für die Kontaktfläche verwendet
wird, gleichzeitig als elektrische Verbindung zwischen der Kontaktfläche und/oder
weiteren Kontaktflächen
zu verwenden. Die Metallisierung wird dazu derartig strukturiert, dass
neben der Aufdickung der Kontaktfläche auch beispielsweise wenigstens
eine flächige
Leiterbahn erhalten bleibt. Die Aufdickung kann dabei beispielsweise
auch als Teil einer Leiterbahn realisiert werden, die von der Kontaktfläche zu einer
weiteren Kontaktfläche
führt.
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Die
beschriebenen Vorgehensweisen können
vorteilhaft zur Kontaktierung von Kontaktflächen einer elektronischen Schaltung
verwendet werden. Die elektronische Schaltung ist dabei auf einem
Substrat realisiert, das eines oder mehrere elektronische Bauteile
trägt.
Die Bauteile weisen dabei insgesamt mehrere elektrische Kontaktflächen auf,
die wie bereits beschrieben mit einer robusten Metallisierung versehen
und mittels einer entsprechenden Anzahl von Federkontakten kontaktiert
werden. Es ist auch möglich,
dass die Bauteile der Schaltung nur eine Kontaktfläche aufweisen.
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Bevorzugt
werden der oder die Federkontakte an einem Gehäuse der elektronischen Schaltung angebracht.
Dabei besteht das Gehäuse
der elektronischen Schaltung beispielsweise aus einem Bodenteil
und einem Deckel. Im Bodenteil sind das Substrat und somit auch
die Aufbauten auf dem Substrat, d. h. die elektronischen und sonstigen
Komponenten eingebettet. Der Deckel wird als einer der letzten Aufbauschritte
für die
Schaltung auf das Bodenteil aufgesetzt und verschließt die Schaltung.
Vorteilhaft sind die Federkontakte zur Kontaktierung der elektrischen
Kontaktflächen
des oder der Bauteile auf dem Substrat am Deckel befestigt, so dass
beim Aufsetzen des Deckels auf das Bodenteil automatisch die Federkontakte
auf die Kontaktflächen
drücken
und der Kontakt hergestellt wird.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass ein flüssiger Abdecklack
nach dem Aufsetzen des Deckels auf die Schaltung aufgebracht wird. Der
Abdecklack kann beispielsweise die Isolationsschicht ersetzen und
wird dann von dem oder den Federkontakten durchstoßen. Gleichzeitig
verklebt der Abdecklack den Deckel und das Bodenteil des Gehäuses miteinander.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 die
elektrische Verbindung eines elektronischen Bauteils mit einer zusätzlichen
Metallisierungsfläche über einen
Drahtbond gemäß dem Stand der
Technik,
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2 ein
elektronisches Bauteil mit oben liegender Kontaktfläche und
einer robusten Metallisierung auf der Kontaktfläche,
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3 eine
Anordnung mit einem elektronischen Bauteil, einer Kontaktfläche und
einer robusten Metallisierung sowie einer Isolationsfolie,
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4 eine
elektronische Anordnung mit einer Isolationsfolie, in der ein Fenster
geöffnet
ist,
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5 eine
elektronische Anordnung mit einer Isolationsfolie, mit einem Fenster,
durch das ein Federkontakt eine robuste Metallisierung kontaktiert,
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6 eine
Kontaktierung mit einem Federkontakt, der eine Isolationsschicht
durchstößt,
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7 ein
Federkontakt in Verbindung mit einer robusten Metallisierung,
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8 ein
Gehäuse
mit einer elektronischen Schaltung und Spiralfederkontakten.
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1 zeigt
ein Keramiksubstrat 1 mit einer unteren Leiterbahn 2.
Weiterhin weist das Substrat eine zusätzliche Metallisierungsfläche 7 auf,
die nicht in elektrischem Kontakt mit der unteren Leiterbahn 2 steht.
Die untere Leiterbahn 2 und die zusätzliche Metallisierungsfläche 7 bestehen
aus Kupfer und sind durch einen Graben getrennt. Auf die untere
Leiterbahn 2 ist ein elektronisches Bauteil 3 aufgelötet. Die
untere Leiterbahn 2 kann dabei in elektrischem Kontakt
mit Anschlüssen
auf der Unterseite des elektronischen Bauteils 3 steht.
Das elektronische Bauteil 3 weist in diesem Fall eine Kontaktfläche 4 auf
seiner Oberseite auf. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt,
eine Verbindung zwischen der Kontaktfläche 4 und der zusätzlichen
Metallisierungsfläche 7 mit
einem Bonddraht 6 herzustellen. Dieser wird dazu mittels
Bonds 5 mit der Kontaktfläche 4 einerseits und der
zusätzlichen
Metallisierungsfläche 7 andererseits stabil
verbunden. Die zusätzlichen
Metallisierungsfläche 7 kann
nun beispielsweise über
einen Federkontakt 12 ankontaktiert werden.
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Anhand
der weiteren Figuren werden nun Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Vorgehen
gezeigt. Ausgangspunkt ist gemäß 2 wiederum
ein keramisches Substrat 1, das eine untere Leiterbahn 2 aufweist.
Auf die untere Leiterbahn 2 ist wiederum ein elektronisches
Bauteil, in diesem Beispiel eines der Leistungselektronik, aufgelötet. Das
elektronische Bauteil weist eine Kontaktfläche 4 auf seiner Oberseite
auf. In einem ersten Schritt wird nun eine robuste Metallisierung 10 so
auf das elektronische Bauteil 3 aufgebracht, dass die robuste
Metallisierung 10 mit der Kontaktfläche 4 in elektrischer Verbindung
steht. Dazu wird die robuste Metallisierung 10 üblicherweise
die Kontaktfläche 4 überdecken.
In diesem Beispiel besteht die Metallisierung aus Kupfer und weist
eine Dicke von 35 μm
auf.
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In
einem zweiten Schritt, dargestellt in 3, wird
nun eine Isolationsfolie 8 auf den bereits vorhandenen
Aufbau auflaminiert. Die Isolationsfolie 8 überdeckt
somit das Keramiksubstrat 1, die untere Leiterbahn 2,
und das elektronische Bauteil 3 mit der Kontaktfläche 4 und
der robusten Metallisierung 10.
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In
einem dritten Schritt, dargestellt in 4, wird
nun oberhalb der robusten Metallisierung 10 ein Fenster 11 in
der Isolationsfolie 8 geöffnet. Das Fenster 11 legt
daher die robuste Metallisierung 10 frei und ermöglicht eine
elektrische Kontaktierung. Das Fenster 11 in der Isolationsfolie 8 wird
geöffnet,
indem an der Isolationsfolie 8 eine Laser-Ablation vorgenommen
wird.
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Die
elektrische Kontaktierung wird nun gemäß 5 durch
einen Federkontakt 12 hergestellt, der auf die robuste
Metallisierung 10 drückt.
Die robuste Metallisierung 10 ermöglicht hierbei, dass der Federkontakt 12 mit
erheblicher Kraft aufgedrückt wird.
Der Federkontakt 12 weist eine Spitze auf, die durch die
Andruckkraft in die Metallisierung 10 auf der Kontaktfläche 4 gedrückt wird,
wodurch ein zuverlässiger
und leistungsfähiger
elektrischer Kontakt hergestellt wird.
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In 6 ist
eine zweite Ausführungsmöglichkeit
für die
Erfindung dargestellt. Hierbei wird entgegen des ersten Ausführungsbeispiels
kein Fenster 11 in der Isolationsfolie 8 geöffnet. In
diesem Ausführungsbeispiel
soll vielmehr eine Isolationsfolie 8 aus einem weichen
Material zum Einsatz kommen. Die Kontaktfeder 12 wird nun
gemäß 6 auf
die Metallisierung 10 und die Isolationsfolie 8 aufgedrückt, so dass
sie die Isolationsfolie 8 auf der robusten Metallisierung 10 durchstößt und dadurch
den elektrischen Kontakt zur Metallisierung 10 und somit
der Kontaktfläche 4 herstellt.
Anstelle einer weichen Isolationsfolie 8 kann auch ein
Lack als Isolationsschicht zum Einsatz kommen, der vom Federkontakt 12 durchstoßen wird.
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Bei
einer dritten Ausführungsvariante
gemäß der 7 wird
auf die Isolationsfolie 8 vollständig verzichtet. Ein Öffnen von
Fenstern 11 entfällt
hierdurch und der Federkontakt 12 kann direkt auf die robuste
Metallisierung 10 aufsetzen.
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Die
Beispiele und Ausführungsmöglichkeiten der
Erfindung wurden anhand von einem Bauteil 3 mit nur einer
Kontaktfläche 4 beschrieben.
Es ist klar, dass das erfindungsgemäße Vorgehen im Zusammenhang
mit elektronischen Schaltungen verwendbar ist, bei denen auf einem
Substrat 1 mehrere Bauteile 3 mit mehreren Kontaktflächen 4 vorhanden sind.
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8 zeigt
nun eine elektronische Schaltung. Diese weist zwei Bauteile 3 auf,
wobei eines der Bauteile 3 zwei Kontaktflächen 4 hat.
Die Bauteile sitzen auf einem Keramiksubstrat 1, das wiederum
in ein Bodenteil 13 eines Gehäuses eingebettet ist.
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Die
drei Kontaktflächen 4 der
Bauteile 3 sind mit zwei elektrisch getrennten robusten
Metallisierungen 10 versehen. Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel
eine der Metallisierungen 10 so auf die Schaltung aufgebracht,
dass sie eine elektrische Verbindung zwischen der einzelnen Kontaktfläche 4 des einen
Bauteils 3 mit einer der Kontaktflächen 4 des anderen
Bauteils 3 herstellt. Die Metallisierung 10 wird
also hier neben der Kontaktierungsfunktion auch als flächige Leiterbahn
verwendet. Eine Isolationsfolie 8 kann hier ebenfalls verwendet
werden, ist aber aus Gründen
der Übersichtlichkeit
der Darstellung in 8 nicht gezeigt.
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Der
Deckel 14 des Gehäuses
ist mit den Kontaktfedern 12 versehen. Sie sind so am Deckel 14 befestigt,
dass sie beim Aufsetzen des Deckels 14 auf den Boden 13 des
Gehäuses
automatisch auf die Metallisierungen 10 bei den jeweiligen
Kontaktflächen 4 drücken und
so eine elektrische Verbindung herstellen. Die Kontaktfedern 12 selbst
sind wiederum mit außen
liegenden Stromanschlüssen
verbindbar, was in 8 ebenfalls nicht gezeigt ist.
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In
den Ausführungsbeispielen,
auf die sich die 5 bis 7 beziehen,
wurden als Kontaktfedern 12 Blattfedern verwen det. Wie
in der 8 gezeigt, können
jedoch ebenso gut Spiralfedern zum Einsatz kommen.