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Dokumentenidentifikation DE102005032076B3 08.02.2007
Titel Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Bayerer, Reinhold, Dr., 59581 Warstein, DE
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 08.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005032076
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.02.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/58(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/36(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 25/07(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 23/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls (1), bei welchem beim Anbringen (c) eines Halbleitersubstrats (30) mit einer Unterseite (20b, 30b) auf einer Oberseite (40a) eines Trägers (40) durch Verkleben (c') eine Aushärtetemperatur (TA) so gewählt und eingestellt wird, dass die Unterseite (20b, 30b) des Halbleitersubstrats (30) der Oberseite (40a) des Trägers (40) in ihrer Form vollständig oder im Wesentlichen in konformer Art und Weise entspricht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Klebeverfahren für Leistungshalbleitersubstrate auf Kühlkörpern.

Bei der Weiterentwicklung der modernen Leistungshalbleiterelektronik spielen neben einer möglichen Miniaturisierung und der Verbesserung der Funktionszuverlässigkeit auch Vereinfachungen im Bereich der Herstellungsverfahren eine große Rolle, wobei möglichen Vereinfachungen keine Qualitätseinbußen entgegenstehen sollen.

Bisher werden bei bekannten Herstellungsverfahren Halbleitermodule mit Halbleitersubstraten auf Trägern dadurch hergestellt, dass die fertigen Halbleitersubstrate auf der Oberfläche des jeweils vorzusehenden Trägers aufgelötet oder aufgeschraubt werden. Diese Befestigungsverfahren und die entsprechenden Mechanismen sind zwar vergleichsweise zuverlässig und erlauben, falls dies nötig ist, eine mechanisch, thermisch und elektrisch gute Kontaktierung der jeweiligen Halbleitersubstrate an einem vorgesehenen Träger. Jedoch sind die entsprechenden Befestigungsverfahren und die damit einhergehenden Mechanismen vergleichsweise aufwändig zu realisieren, sie erfordern insbesondere auch im Rahmen eines Automatisierungsprozesses einen erheblichen materiellen und gerätetechnischen Mehraufwand.

Die Druckschrift EP 0 042 693 A2 betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Es wird dort eine Wärmeverteilungseinrichtung mit einer dünnen keramischen Schicht vorgesehen. Die dünne keramische Schicht befindet sich auf der Unterseite der Wärmeverteilungseinrichtung.

Der Wärmeverteiler ist oder wird mit seiner keramischen Schicht auf ein Grundmaterial, welches als Wärmesenke dienen soll, mittels einer Epoxidharzschicht aufgebracht, wobei letztere Silberpartikel enthält. Durch die keramische Schicht wird eine elektrische Isolation zwischen dem Wärmeverteiler und dem Grundmaterial geschaffen.

Die Druckschrift DE 195 29 627 C1 betrifft eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Verbindung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Dabei wird ein Leistungsbauelement über eine Lotschicht mit einem Wärmespreizelement, z.B. aus Kupfer, verbunden. Das Wärmespreizelement ist seinerseits über eine wärmeleitende Klebeschicht mit einer thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Keramikschicht und darüber an einen Kühlkörper angeschlossen.

Die Druckschrift US 4,558,171 betrifft den hermetischen Einschluss elektronischer Bauteile mit entsprechenden, gegebenenfalls transparenten Abdeckungen. Es geht dabei um einen Abschluss einer Anordnung aus mehreren Chips gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere gegenüber Feuchtigkeit. Dabei wird ein Einschlussmechanismus ausgebildet, der aus einem Kompositsubstrat, zwei Rahmen sowie aus zwei Abdeckungen besteht. Es werden dabei zur elektrischen Verbindung auch DBCu-Substrate verwendet.

Die DE 100 13 255 A1 betrifft eine in Harz eingekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen. Dabei werden in einem metallischen Kühlkörper, ein Hybrid-IC-Substrat sowie eine Leistungshalbleitereinrichtung befestigt. Der Leistungshalbleiter ist mit dem Kühlkörper über eine Lotverbindung verbunden. Es ist auch von einer Harzeinkapselung die Rede, durch welche bestimmte Eingangs-/Ausgangsanschlüsse in ein Gehäuse eingebettet werden.

Die Druckschrift DE 101 62 966 A1 ist gattungsstiftend und betrifft ein Leistungshalbleitermodul, welches aus einer Schaltungsanordnung gebildet wird, die ihrerseits eine Metallbasis, ein Keramiksubstrat und einen Leistungshalbleiterchip umfasst. Darüber hinaus wird beschrieben, dass bestimmte Schaltungsblöcke im Zusammenhang mit DCB-Substraten unter Verwendung von Klebstoffen auf eine Metallbasis aufgebracht und dort befestigt werden können.

Die Druckschrift DE 197 22 355 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Baugruppen und elektrische Baugruppen als solche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Halbleiterschaltungsmodule anzugeben, bei welchen Halbleitersubstrate auf vorzusehenden Trägern auf besonders einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise angebracht werden können.

Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterschaltungsmoduls sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. Die Merkmale des Oberbegriffs des Hauptanspruches sind aus der DE 101 62 966 A1 bekannt.

Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht in ihrem allgemeinsten Zusammenhang darin, statt einer Lötverbindung oder einer Schraubverbindung zwischen einem Halbleitersubstrat und einem vorzusehenden Träger eine Klebeverbindung auszubilden. Da gerade im Bereich der Leistungshalbleiterelektronik Klebeverbindungen im Bereich der Leistungsbauteile bisher vermieden wurden, kann erfindungsgemäß nunmehr auf diese einfache Technik zurückgegriffen werden, ohne dass es zu Funktions- oder Strukturqualitätseinbußen kommt. Demzufolge wird erfindungsgemäß ein in der Fachwelt lange bestehendes Vorurteil überwunden, indem die bisher vermiedene Klebetechnik beim Anbringen, Fixieren und Kontaktieren von Halbleitersubstraten auf Trägern erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise zum Einsatz gebracht wird.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Montieren eines Leistungshalbleitermoduls, bestehend aus einem Leistungshalbleiter und einem damit verlöteten oder mittels einer Niedertemperaturverbindungstechnik verbundenen DCB- oder AMB-Substrat auf einen Träger, geschaffen mit den Schritten (a) Bereitstellen mindestens eines Leistungshalbleitermoduls bestehend aus einem Leistungshalbleiter und einem damit verlöteten DCB- oder AMB-Substrat, welches eine Unterseite aufweist, (b) Bereitstellen mindestens eines Trägers mit einer Oberseite und (c) Anbringen und Fixieren des Leistungshalbleitermoduls mit der Unterseite des DCB- oder AMB-Substrats auf der Oberseite des Trägers, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Anbringen des Leistungshalbleitermoduls auf dem Träger durch Verkleben unter Verwendung eines bei einer Aushärtetemperatur aushärtenden Klebemittels erfolgt.

Überwunden wird das bekannte Vorurteil aus dem Stand der Technik dadurch, dass das Klebemittel zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Träger ausgehärtet wird, wobei beim Aushärten zumindest das Halbleitersubstrat auf eine Aushärtetemperatur gebracht und gehalten wird, wobei die Aushärtetemperatur so gewählt, eingestellt und/oder gehalten wird, dass die Unterseite des Halbleitersubstrats oder Substrats der Oberfläche des Trägers vollständig oder im Wesentlichen in konformer Art und Weise entspricht. Es wird dadurch erreicht, dass die Oberfläche oder Oberseite des Trägers und die Unterseite des Substrats oder Halbleitersubstrats in geeigneter Art und Weise im Hinblick auf ihre Oberflächengeometrie oder Topografie aneinander angepasst werden, so dass in Bezug auf das dazwischen vorzusehende Klebemittel nach dem Aushärteprozess die gewünschte Formgebung verbleibt und mechanische Spannungen im Kontaktbereich oder Grenzflächenbereich zwischen Halbleitersubstrat und Träger und insbesondere im Bereich des Halbleitersubstrats selbst reduziert oder gänzlich vermieden werden können.

Insbesondere wird in vorteilhafter Art und Weise ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls vorgeschlagen mit den Schritten (a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats mit einer Halbleiterschaltung auf einem Substrat mit einer Unterseite, (b) Bereitstellen mindestens eines Trägers mit einer Oberseite oder Oberfläche und (c) Anbringen und Fixieren des Halbleitersubstrats mit der Unterseite des Substrats bzw. des Halbleitersubstrats auf der Oberseite oder Oberfläche des Trägers durch Verkleben (c') unter Verwendung eines Klebemittels, bei welchem beim Verkleben (c') das Klebemittel ausgehärtet (c'') wird, bei welchem beim Aushärten (c'') zumindest das Halbleitersubstrat auf eine Aushärtetemperatur gebracht und gehalten wird und bei welchem die Aushärtetemperatur so gewählt und eingestellt wird, dass die Unterseite des Substrats bzw. des Halbleitersubstrats der Oberseite oder Oberfläche des Trägers vollständig oder im Wesentlichen in konformer Art und Weise entspricht.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es vorgesehen, dass bei planarer oder in etwa planarer Oberseite oder Oberfläche des Trägers die Aushärtetemperatur so eingestellt und gehalten wird, dass die Unterseite des Substrats planar oder in etwa planar ist.

Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die Aushärtetemperatur so eingestellt und gehalten wird, dass sich thermische Verspannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften im Halbleitersubstrat zu einer gewünschten Form der Unterseite des Substrats hin ausbilden und insbesondere kompensieren.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es vorgesehen, dass als Substrat (20) oder als Halbleitersubstrat ein Substrat aus der Gruppe verwendet wird, die gebildet wird von Substraten mit mehreren unterschiedlichen Materialien, Substraten, die schichtartig aufgebaut sind, DCB-Substraten, AMB-Substraten und von Substraten auf keramischer Basis mit metallischen Bereichen oder Anteilen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die Aushärtetemperatur durch Erwärmen des Substrats, des Halbleitersubstrats und/oder des Klebemittels eingestellt und gehalten wird.

Andererseits ist es bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls alternativ vorgesehen, dass die Aushärtetemperatur durch Abkühlen des Substrats, des Halbleitersubstrats und/oder des Klebemittels eingestellt und gehalten wird.

Besondere Vorteile ergeben sich bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls, bei welcher alternativ oder zusätzlich während des Aushärtens des Klebemittels zumindest das Halbleitersubstrat vorzugsweise auch der Träger und/oder das Klebemittel konstant oder in etwa konstant auf der Aushärtetemperatur gehalten werden und dadurch die Schichtstärke des Klebemittels zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Träger zeitlich konstant oder in etwa zeitlich konstant gehalten wird, insbesondere mit gleicher oder in etwa gleicher Schichtstärke.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat, der Träger und/oder das Klebemittel gemeinsam auf die Aushärtetemperatur gebracht und dort gehalten werden, insbesondere über ein Wärmebad.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat und/oder das Klebemittel auf die Aushärtetemperatur gebracht und/oder dort gehalten werden, indem sie direkt oder indirekt thermisch mit dem Träger gekoppelt werden und in dem der Träger auf die Aushärtetemperatur gebracht und/oder dort gehalten wird, insbesondere über ein Wärmebad.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass ein Halbleitersubstrat und/oder ein Klebemittel mit einer im Vergleich zum Träger geringen Wärmekapazität verwendet werden. Eine niedrige Wärmekapazität liegt z.B. dann vor, wenn das Produkt RC aus Wärmewiderstand R des Klebstoffes, über den das Substrat thermisch an den Träger angeglichen wird, und der Wärmekapazität C des Substrats einen Wert kleiner als 5 Sekunden liefert. Die Wärmekapazität wird z.B. auch dann als niedrig bezeichnet, wenn sie klein ist gegen die Wärmekapazität des Trägers.

Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es vorgesehen, dass ein Klebemittel mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit liegt insbesondere dann vor, wenn sie z.B. einen Wert von mehr als 0,5 W/mK und weiter von mehr als 5 W/mK zeigt.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat, der Träger und/oder das Klebemittel auf die Aushärtetemperatur gebracht und dort gehalten werden, bevor das Klebemittel auf die Unterseite des Substrats bzw. des Halbleitersubstrats und/oder auf die Oberseite des Trägers aufgebracht wird.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn es gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls vorgesehen ist, dass das Halbleitersubstrat und der Träger mit dem Klebemittel dazwischen durch Anwendung von Druck aneinander angebracht und fixiert werden, so dass dabei das Halbleitersubstrat in das Klebemittel eingedrückt wird.

Es wird das Klebemittel gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls bevorzugt, dass das Klebemittel auf der Unterseite des Substrats bzw. des Halbleitersubstrats und/oder auf der Oberseite des Trägers eben oder konform oder abschnittsweise eben oder konform aufgebracht wird.

Möglich sind das Aufbringen des Klebemittels per Siebdruck, Dispensen oder Stempeln. Denkbar sind auch Verfahren mittels Rüttelbewegungen, die einhorizontales und/oder vertikales Einreiben bewerkstelligen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitermoduls ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat zunächst auf eine Vortemperatur gebracht wird, bei welcher die Unterseite des Substrats bzw. des Halbleitersubstrats relativ zur Oberseite des Trägers konvex oder lokal konvex ausgebildet ist, dann das Halbleitersubstrat mit der Unterseite des Substrats bzw. des Halbleitersubstrats auf die Oberseite des Trägers mit dem Klebemittel dazwischen aufgebracht wird und dann die Aushärtetemperatur eingestellt und gehalten wird.

Dabei kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Halbleitersubstrat in Bezug auf die Kontaktfläche mit Druck von innen nach außen an den Träger angedrückt oder auf diesem ausgerollt wird.

Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass ein Klebemittel aus der Gruppe verwendet wird, die besteht aus wärmeleitenden Klebstoffen, gefüllten Silikonklebstoffen, Epoxydharzklebstoffen, thermoplastischen Klebstoffen, Polyesterklebstoffen, Klebstoffen in Pastenform, flüssigen Klebstoffen, Klebstoffen in Form von Folien, Klebstoffen mit einer Wärmeleitung im Bereich von mindestens 0,5 W/mK, Klebstoffen mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von mehr als 5 W/mK und Klebstoffen, die durch Temperatur und/oder Druck flüssig werden und unter Wegnahme eines Drucks oder bei Entspannung sich verfestigen.

Andererseits ist es alternativ oder zusätzlich denkbar, dass Träger aus der Gruppe verwendet werden, die besteht aus Kühlkörpern, Trägerplatten, Bodenplatten, Trägern aus Aluminium, Trägern aus AlSiC, MMC-Trägern, Metall-Matrix-Komposit-Trägern, Trägern aus Kupfer, vernickelten Trägern, flüssigkeitsgekühlten Trägern oder Kühlkörpern, gasgekühlten Trägern oder Kühlkörpern und dreidimensional geformten Körpern.

Des Weiteren ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass Halbleitersubstrate aus der Gruppe verwendet werden, die besteht aus Leistungshalbleitersubstraten, Signalelektronikhalbleitersubstraten und Halbleitersubstraten auf der Basis von Dünnschicht- oder Dickschichtkeramiken.

Es bietet sich in besonders vorteilhafter Weise an, dass mehrere Halbleitersubstrate auf einem oder mehreren Abschnitten der Oberfläche eines oder mehrerer Träger angebracht werden.

Bevorzugt wird ein Klebemittel mit einer Schichtstärke unterhalb von 70 &mgr;m verwendet.

Nachfolgend werden diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung mit anderen Worten erläutert.

In Leistungshalbleitermodulen werden üblicherweise Leistungshalbleiter auf so genannte DCB- oder AMB-Substrate (DCB: Direct Copper Bonded; AMB: Active Metal Brazed) gelötet. Diese Substrate wiederum werden auf Bodenplatten gelötet. Die Substrate sind mit dickem Kupfer oder Aluminium beschichtet. Die Verbindung der Metallschichten mit der Keramik erfolgt nach den angegebenen Verbindungsverfahren. Die gekapselten Module werden dann in der Regel auf Kühlkörper geschraubt. Will man Leistungshalbleiterschaltungen mit Kleinsignalelektronik in einem Modul kombinieren, ist es zur Vereinfachung der Prozessschritte attraktiv, die Schaltungsträger mit den Leistungshalbleitern, also z.B. DCB-Substrate, auf Kühlkörper zu kleben. Dies kann dann im einfachsten Fall gemeinsam mit einem Klebeprozess für die Signalelektronik geschehen.

Insbesondere für den Klebeprozess des Substrats besteht das Problem, dass ein solches Keramiksubstrat beidseitig dicke Cu- oder Al-Bahnen oder -Beschichtungen besitzen kann, die zusammen mit der Keramik und den aufgelöteten Leistungshalbleiterchips, soweit sie nicht symmetrisch auf beiden Seiten vorhanden sind, einen Bimetalleffekt zeigen.

Der Bimetalleffekt rührt von den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metalle zu Silizium und Keramik her. Die Asymmetrie wird durch die Bestückung mit Chips auf der Schaltungsseite sowie ein Schaltungslayout erzeugt. Das Layout ist gekennzeichnet durch Gräben, in denen zur Isolation verschiedener Potenziale, das Kupfer weggeätzt wurde. Somit haben solche Substrate bereits bei Raumtemperatur eine den Strukturen entsprechende komplexe Verwölbung. Diese können im Fall einer flächigen Klebung zur inhomogenen Klebeschicht oder zu Lunkern in der Klebung führen.

Besonders stark treten diese Effekte hervor, wenn die Klebung bei hohen Temperaturen ausgehärtet werden muss, weil dann durch die Temperaturerhöhung andere Verwölbungen auftreten. Diesen Änderungen passt sich die Kleberschicht in der Regel nicht an, wodurch erneut Lunker entstehen können. Inhomogene Kleberschichten führen bei Leistungshalbleitern sehr schnell zur mangelhaften Wärmeableitung.

Klebungen wurden insbesondere bei Leistungshalbleitermodulen bisher nicht eingesetzt, weil die mangelhafte Wärmeableitung nicht akzeptiert wurde. Bei Signalelektronik und Schaltungen geringerer Leistungsdichte wurden die erhöhten Wärmewiderstände akzeptiert.

Die Substrate und die Trägerplatte oder Kühlkörper werden erfindungsgemäß z.B. vor dem Einsetzen in die Klebeschicht auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Substrat eben ist. Bei dieser Temperatur wird die Klebung dann auch ausgehärtet.

Da die Anordnung nach dem Aufsetzen der Substrate keine Temperaturänderung mehr erfährt, bleibt die Form und die Ebenheit bestehen. Nach Aushärten des Klebers bleiben die so hergestellten Kleberdicken erhalten. Wahlweise werden die Trägerplatten bzw. Kühlkörper vorgewärmt.

Die Erfindung beruht also unter anderem auf der Ausbildung eines geklebten Aufbaus von Trägerplatten und Substraten mit Leistungshalbleitern, der sich durch dünne und annähernd homogene Kleberschichten auszeichnet. Dieses Ziel wird durch eine Vorwärmung von Substraten und/oder Trägerplatten (Bodenplatten, Kühlkörpern) erreicht, so dass die Substrate vorn oder beim Kleben eine bestmögliche Formanpassung und insbesondere Ebenheit haben.

Ausführungsbeispiele

  • a. Da die bestückten Substrate eine geringe thermische Masse haben, besteht auch die Möglichkeit nur die Trägerplatte vorzuwärmen, den Klebstoff per Siebdruck, Dispensen, Stempeln etc. schnell (kurz gegenüber der Aushärtezeit bei dieser Temperatur) aufzutragen und dann die auf Raumtemperatur befindlichen Substrate in den Kleber einzudrücken, dabei formt sich bei geeigneter Temperatur das Substrat eben und wird auch bis nach Erwärmung durch das Bestückwerkzeug festgehalten und gedrückt. Danach bleibt die Ebenheit wieder bis zur Aushärtung erhalten.
  • b. Das Substrat wird auf der Rückseite, die geklebt wird, nicht metallisiert. Damit behält das Substrat dort eine Keramikoberfläche (Al2O3, AlN, Si3N4 oder ähnliche Keramiken). Dieses Substrat ist bei Raumtemperatur aufgrund der voraus gegangenen Lötprozesse für die Chips konvex gebogen. Durch Vorwärmen von Substraten und Trägerplatte oder nur durch Vorwärmen der Trägerplatte wird hier eine Ebenheit der Klebeschichten erreicht. Bevorzugt werden Keramiken mit einem Gehalt an seltenen Erdatomen, wie z.B. Zr, verwendet. Dies erhöht die Bruchfestigkeit der Keramik, was bei einseitiger Metallisierung besonders wichtig ist.
  • c. Besonders vorteilhaft ist, wenn man diese Substrate in der konvexen Form in den eben aufgetragenen Klebstoff setzt und dann von der Mitte nach außen aufdrückt, wobei auch die Erwärmung und der stabile ebene Zustand erreicht wird. Durch dieses Ausrollen von innen werden Lunker besonders gut vermieden.
  • d. Auch im Fall einer zweiseitigen Beschichtung mit Kupfer wird durch Vorwärmung der Substrate auf eine höhere Temperatur, bei der das Substrat konvex ist und eine Vorwärmung des Trägers auf eine Temperatur, bei der das Substrat eben ist, ein Ausrollen wie unter c. möglich.
  • e. Die Vorwärmtemperaturen liegen typisch zwischen 70°C und 125°C. Hängen jedoch etwas von der Layoutstruktur und der Vorbehandlung ab.
  • f. Als Kleber kommen wärmeleitende, gefüllte Silikonkleber, Epoxidharzkleber, thermoplastische Kleber, Polyesterkleber o.ä. zum Einsatz. Diese werden als Paste, Flüssigkeit oder Folie angewendet. Die Klebstoffe werden dabei so ausgewählt, dass die vorgewärmte Klebschichten während dem Einsetzen der Substrate noch ihre Verformbarkeit und Benetzungsfähigkeit behalten. Die Wärmeleitung der Klebstoffe soll min. 0,5 W/mK betragen. Bevorzugt werden Materialien mit >5 W/mK.
  • g. Bevorzugt werden auch Klebstoffe eingesetzt, die durch Temperatur und Druck flüssig werden und bereits nach Wegnahme des Aufpressdrucks für das Substrat wieder fest werden.
  • h. Im Fall von schnell härtenden Klebstoffen wird der Klebstoff bevorzugt auf die Substratunterseite aufgetragen, wenn das Substrat nicht vorgewärmt wird. Damit wird der Klebstoff für geringere Zeit vor der Bestückung auf Aushärtetemperatur gehalten.
  • i. Mit der Technologie der Klebung können die Substrate direkt auf Kühlkörper aus Aluminium, Trägerplatten aus Aluminium und auch Bodenplatten aus AlSiC, anderen MMC-Trägern (Metal-Matrix-Composite) und Kupfer (auch vernickelt) aufgebracht werden.
  • j. Alternativ wird die Trägerplatte von einer flüssigkeitsgekühlten Platte gebildet, die eine direkte Wärmeabfuhr in einen Öl- oder Wasserkreislauf o.A. erlaubt.
  • k. Die Trägerplatte kann auch aus einem dreidimensional geformten Körper gebildet werden, der z.B. auch flüssigkeitsgekühlt wird und die Substrate auf verschiedenen Oberflächen den Körper mit dem beschriebenen Verfahren aufgeklebt werden.
  • l. Bevorzugt wird die Klebeschicht mit diesem Verfahren auf <70 &mgr;m eingestellt.
  • m. Diese Aufbaumethoden und Verfahren werden z.B. mit Steuerelektronik (Kleinsignalelektronik) auf der gleichen Trägerplatte kombiniert. Diese Signalelektronik befindet sich entweder auf Keramiksubstraten (Dick-, Dünnschicht) oder Leiterplatten, die ebenfalls aufgeklebt wurden.

Zur Erläuterung: Die Substrate dieser Art kommen aus einem Lötprozess oder einem anderen thermischen Verbindungsprozess mit Temperaturen von typisch 250°C oder auch höher. Das Kupfer wurde bei einer so starken Temperaturerhöhung plastisch verformt. Bei der Abkühlung wird das Substrat vom maximal konvexen Zustand eben und bei Raumtemperatur konkav geformt, weil die Unterseite vollflächig mit Cu belegt ist und die Oberseite lückenhaft und Cu die größere Ausdehnung im Vergleich zur Keramik hat. Ist auf der Unterseite kein Cu vorhanden, erreicht man bei Löttemperatur einen maximalen konkaven Zustand und bei Raumtemperatur den maximalen konvexen Zustand. In beiden Endphasen wird das Cu plastisch verformt. Deshalb ergibt sich bei mehrfachen Zyklen auch eine Hysterese mit ca. 100°C Höhe.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung auf der Grundlage schematischer Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

1 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht, welche die grundlegende Struktur eines Schaltungsmoduls erläutert.

2 erläutert ebenfalls in Form einer schematischen geschnittenen Seitenansicht in detaillierter Form die grundlegende Struktur eines Schaltungsmoduls.

3A3C zeigt in einer Abfolge schematischer und geschnittener Seitenansichten das Vorgehen gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schaltungsmoduls.

4A4B zeigen ebenfalls in Abfolge schematischer und geschnittener Seitenansichten das Vorgehen gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schaltungsmoduls.

5A5C zeigen ebenfalls in Abfolge schematischer und geschnittener Seitenansichten das Vorgehen gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schaltungsmoduls.

6 zeigt in perspektivischer Seitenansicht ein Schaltungsmodul, welches gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schaltungsmoduls ausgebildet wurde.

7 demonstriert in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine andere Struktur eines Schaltungsmoduls, welche gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schaltungsmoduls ausgebildet wurde.

Nachfolgend werden strukturell und/oder funktionell ähnliche oder vergleichbare Elemente und Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ohne dass in jedem Fall ihres Auftretens eine detaillierte Beschreibung wiederholt wird.

1 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht ein Schaltungsmodul 1, welches erfindungsgemäß ausgebildet wurde.

Das Schaltungsmodul 1 gemäß 1 besteht aus einem Träger 40 mit einem Oberflächenbereich 40a oder einer Oberseite 40a. Oberhalb der Oberfläche 40a oder Oberseite 40a des Trägers 40 ist ein Halbleitersubstrat 30 mit einer Unterseite 30b ausgebildet.

Das Halbleitersubstrat 30 wird gebildet von einer zuunterst angeordneten Metallschicht 30-1, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, woran sich eine Keramikschicht 30-2 anschließt. Auf der Oberfläche der Keramikschicht 30-2 sind metallische Bereiche 30-3, ebenfalls aus Kupfer oder Aluminium, ausgebildet, auf denen mittels eines Lots 30-4 oder NTV (Niedertemperaturverbindungsverfahren mit Silberpaste) die eigentlichen Halbleiterbauelemente 30-5 oder Chips 30-5 angeordnet sind, welche die eigentliche Halbleiterschaltung 10 realisieren und beinhalten.

Die Schicht 30-1 aus Kupfer oder Aluminium, die Keramik 30-2 und die zuoberst angeordneten Bereiche 30-3, ebenfalls aus Kupfer oder Aluminium, bilden das eigentliche Substrat 20, welches dem Halbleitersubstrat 30 zugrunde liegt, und dessen Unterseite 20b mit der Unterseite 30b des Halbleitersubstrats 30 koinzidiert.

Zur Anbringung und Fixierung des Halbleitersubstrats 30 mit der Unterseite 30b auf der Oberseite 40a des Trägers 40 ist ein Klebemittel 50 ausgebildet.

2 zeigt in größerem Detail Einzelheiten der in 1 dargestellten Situation im Bereich II. Erkennbar sind dort Zwischenbereiche in Form von Gräben 30-6 zwischen den oberen Metallisierungen 30-3 aus Kupfer oder Aluminium auf der Keramik 30-2. Die Gräben 30-6 oder Ausnehmungen 30-6 dienen der elektrischen Isolation. Aufgrund der Abfolge der verschiedenen Schichten 30-1, 30-2, 30-3 aus Metall, Keramik und wieder Metall kann es bei thermischer Wechsellast, also sich ändernden thermischen Budgets, zu unterschiedlichen mechanischen Verspannungen im Bereich des Halbleitersubstrats 30 kommen, so dass die Güte der Anbringung und Fixierung und letztlich des Kontakts zwischen dem Halbleitersubstrat 30 und dem Träger 40 unter Umständen stark von der thermischen Situation, bei welcher die Anbringung und Fixierung erfolgt, abhängt, insbesondre im Bereich der Ausnehmungen 30-6 oder Gräben 30-6.

In 2 ist gezeigt, dass aufgrund des thermischen Budgets und der mit dem thermischen Budget einhergehenden Unterschiede in den Ausdehnungen der unterschiedlichen Materialien Krümmungen und Wölbungen im Bereich des Halbleitersubstrats 30 auftreten können, die an einen Bimetalleffekt erinnern und sich aus der Asymmetrie der Schichtbildung maßgeblich ergeben.

Wird ein derartig gekrümmtes Halbleitersubstrat 30 auf die Oberfläche 40a aufgebracht, und zwar wiederum mittels eines Klebemittels 50, so kann die klebende Struktur die mechanischen Unregelmäßigkeiten womöglich nicht auffangen oder ihren Änderungen mit Änderungen des thermischen Budgets nicht standhalten. Diese Problematik wird erfindungsgemäß reduziert oder vermieden.

Die 3A bis 3C zeigen eine erste Ausführungsform für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für Schaltungsmodule 1.

In 3A sind der Träger 40 und das Halbleitersubstrat 30 in schematischer Art und Weise und voneinander räumlich beabstandet dargestellt. Der Träger 40 und das Halbleitersubstrat 30 befinden sich auf Raumtemperatur TR. Das Halbleitersubstrat 30 zumindest an der Unterseite 30b ist konkav gekrümmt.

Im Übergang zu dem in 3B gezeigten Zwischenzustand wird für den Träger 40 und das Halbleitersubstrat 30 die so genannte Aushärtetemperatur TA eingestellt und gehalten. Diese Aushärtetemperatur TA wird so gewählt, dass die konkave Krümmung auf der Unterseite 20b, 30b des Substrats 20 oder des Halbleitersubstrats 30 teilweise oder vollständig kompensiert wird, so dass sich gemäß der Ausführungsform der 3A bis 3C eine planare Unterseite 20b, 30b für das Substrat 20 bzw. für das Halbleitersubstrat 30 ergibt.

Im Übergang zu dem in 3C gezeigten Zwischenzustand wird dann unter Vorsehen eines Klebemittels 50 das Halbleitersubstrat 30, hier in planarer Form bei der Aushärtetemperatur TA, mit seiner Unterseite 30b auf die Oberseite 40a des Trägers 40 mit dem Klebemittel 50 dazwischen aufgebracht und mittels Druck angedrückt.

Die Ausführungsform gemäß den 4A und 4B zeigt einen etwas vereinfachten Verfahrensablauf. Der Zustand, der in 4A dargestellt ist, entspricht dem Zustand der 3A. Halbleitersubstrat 30 und Träger 40 stehen sich räumlich beabstandet gegenüber und befinden sich auf Raumtemperatur TR bzw. bereits auf der Aushärtetemperatur TA.

Im Übergang zu dem in 4B gezeigten Zwischenzustand wird das auf Raumtemperatur TR liegende Halbleitersubstrat 30 mit seiner Unterseite 30b direkt und ohne Temperaturänderung unter Vorsehen eines Klebemittels 50 auf die Oberseite 40a des Trägers 40, der sich auf der Aushärtetemperatur TA befindet, aufgebracht. Der Träger 40 wird entweder über ein Wärmebad auf der Aushärtetemperatur TA gehalten oder aber seine Wärmekapazität ist deutlich höher als die des Halbleitersubstrats 30, so dass der Wärmeübergang zwischen Träger und Halbleitersubstrat 30 zur Ausbildung eines thermodynamischen Gleichgewichts zwischen Halbleitersubstrat 30 und Träger 40, aber zu keiner nennenswerten Temperaturänderung des Trägers 40 und somit des Gesamtsystems aus Träger 40 und Halbleitersubstrat 30 führt.

Gemäß dieser zuletzt beschriebenen Vorgehensweise kann der Zwischenschritt des Temperaturänderns vorab eingespart werden.

Bei der Ausführungsform der 5A bis 5C wird gemäß dem ersten Zwischenzustand, welcher in 5A gezeigt ist, das Halbleitersubstrat 30 bei einer Vortemperatur TV eingestellt, bei welcher die Unterseite 30b des Halbleitersubstrats 30 eine konvexe Wölbung im Vergleich zur Oberseite 40a des Trägres 40 zeigt.

Im Übergang zu den in den 5B und 5C gezeigten Zwischenzuständen wird dann das Halbleitersubstrat 30 unter Vorsehen eines Klebemittels 50 mit der konvex gewölbten Unterseite 30b auf die Oberseite 40a des Trägers 40, welche planar ist, aufgedrückt, vorzugsweise mit einem Druckverlauf vom Zentralbereich des Halbleitersubstrats 30 zum Rand hin. Das Halbleitersubstrat 30 wird quasi auf der Oberfläche oder Oberseite 40a des Trägers 40 abgerollt.

6 zeigt in perspektivischer Seitenansicht ein erfindungsgemäß hergestelltes Schaltungsmodul 1, bei welchem auf einem als Träger 40 dienenden Kühlkörper K eine Mehrzahl unterschiedlicher Halbleitersubstrate 30 aufgebracht ist. Es handelt sich dabei zum einen um Leistungshalbleitersubstrate L und zum anderen um Substrate S für die Signalelektronik. Verbunden sind die Substrate 30 über entsprechende elektrische Verbindungen, z.B. in Form so genannter Bonddrähte.

7 erläutert, dass der Träger 40, hier wieder in Form eines Kühlkörpers, welcher hier aufgrund der vorgesehenen Kanäle mit einem Kühlmittel durchströmt werden kann, auf seiner Oberfläche 40a unterschiedlich geformte, angeordnete und/oder geneigte Oberflächenabschnitte 40a1, 40a2, 40a3 aufweisen kann, die jeweils mit entsprechenden Halbleitersubstraten 30 bestückt sein können. Auch sind hier wieder entsprechende elektrische Verbindungen, z.B. in Form von Bonddrähten, vorgesehen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Montieren eines Leistungshalbleitermoduls (1), bestehend aus einem Leistungshalbleiter und einem damit verlöteten oder mittels einer Niedertemperaturverbindungstechnik verbundenen DCB- oder AMB-Substrat auf einen Träger (40),

mit den Schritten:

(a) Bereitstellen mindestens eines Leistungshalbleitermoduls (1) bestehend aus einem Leistungshalbleiter (10) und einem damit verlöteten DCB- oder AMB-Substrat (20), welches eine Unterseite (20b) aufweist,

(b) Bereitstellen mindestens eines Trägers (40) mit einer Oberseite (40a) und

(c) Anbringen und Fixieren des Leistungshalbleitermoduls (1) mit der Unterseite (20b) des DCB- oder AMB-Substrats (20) auf der Oberseite (40a) des Trägers (40),

dadurch gekennzeichnet,

dass das Anbringen des Leistungshalbleitermoduls (1) auf dem Träger (40) durch Verkleben unter Verwendung eines bei einer Aushärtetemperatur (TA) aushärtenden Klebemittels (50) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1,

– bei welchem beim Aushärten (c'') zumindest ein Halbleitersubstrat (30) mit einer Halbleiterschaltung (10) auf dem DCB- oder AMB-Substrat (20) auf eine Aushärtetemperatur (TA) gebracht und gehalten wird und

– bei welchem die Aushärtetemperatur (TA) so gewählt und eingestellt wird, dass die Unterseite (20b, 30b) des DCB- oder AMB-Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (30) der Oberseite oder Oberfläche (40a) des Trägers (40) vollständig oder im Wesentlichen in konformer Art und Weise entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem bei planarer oder in etwa planarer Oberseite oder Oberfläche (40a) des Trägers (40) die Aushärtetemperatur (TA) so eingestellt und gehalten wird, dass die Unterseite (20b, 30b) des DCB- und AMB-Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (30) planar oder in etwa planar ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Aushärtetemperatur (TA) so eingestellt und gehalten wird, dass sich thermische Verspannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften im Halbleitersubstrat (30) zu einer gewünschten Form der Unterseite (20b, 30b) des DCB- oder AMB-Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (30) hin ausbilden und insbesondere kompensieren. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Aushärtetemperatur (TA) durch Erwärmen des DCB- oder AMB-Substrats (20), des Halbleitersubstrats (30) und/oder des Klebemittels (50) eingestellt und gehalten wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Aushärtetemperatur (TA) durch Abkühlen des DCB- oder AMB-Substrats (20), des Halbleitersubstrats (30) und/oder des Klebemittels (50) eingestellt und gehalten wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

– bei welchem während des Aushärtens des Klebemittels (50) zumindest das Halbleitersubstrat (30) vorzugsweise auch der Träger (40) und/oder das Klebemittel (50) konstant oder in etwa konstant auf der Aushärtetemperatur (TA) gehalten werden und

– bei welchem dadurch die Schichtstärke des Klebemittels (30) zwischen dem Halbleitersubstrat (30) und dem Träger (40) zeitlich konstant oder in etwa zeitlich konstant gehalten wird, insbesondere mit gleicher oder in etwa gleicher Schichtstärke.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Halbleitersubstrat (30), der Träger (40) und/oder das Klebemittel (50) gemeinsam auf die Aushärtetemperatur (TA) gebracht und dort gehalten werden, insbesondere über ein Wärmebad. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Halbleitersubstrat (30) und/oder das Klebemittel (50) auf die Aushärtetemperatur (TA) gebracht und/oder dort gehalten werden, indem sie direkt oder indirekt thermisch mit dem Träger (40) gekoppelt werden und in dem der Träger (40) auf die Aushärtetemperatur (TA) gebracht und/oder dort gehalten wird, insbesondere über ein Wärmebad. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Halbleitersubstrat (30) und/oder ein Klebemittel (50) mit einer im Vergleich zum Träger (40) geringen Wärmekapazität verwendet werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Klebemittel (50) mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Halbleitersubstrat (30), der Träger (40) und/oder das Klebemittel (50) auf die Aushärtetemperatur (TA) gebracht und dort gehalten werden, bevor das Klebemittel auf die Unterseite (20b, 30b) des DCB- oder AMB-Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (30) und/oder auf die Oberseite (40a) des Trägers (40) aufgebracht wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

– bei welchem das Halbleitersubstrat (30) und der Träger (40) mit dem Klebemittel (50) dazwischen durch Anwendung von Druck aneinander angebracht und fixiert werden,

– so dass dabei das Halbleitersubstrat (30) in das Klebemittel (50) eingedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Klebemittel (50) auf der Unterseite (20b, 30b) des DCB- oder AMB-Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (30) und/oder auf der Oberseite (40a) des Trägers (40) eben oder konform oder abschnittsweise eben oder konform aufgebracht wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Klebemittel (50) aufgebracht wird per Siebdruck, Dispensen oder Stempeln. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

– bei welchem das Halbleitersubstrat (30) zunächst auf eine Vortemperatur (TV) gebracht wird, bei welcher die Unterseite (20b, 30b) des DCB- oder AMB-Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (30) relativ zur Oberseite (40a) des Trägers (40) konvex oder lokal konvex ausgebildet ist,

– bei welchem dann das Halbleitersubstrat (30) mit der Unterseite (20b, 30b) des DCB- oder AMB-Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (30) auf die Oberseite (40a) des Trägers (40) mit dem Klebemittel (50) dazwischen aufgebracht wird und

– bei welchem dann die Aushärtetemperatur (TA) eingestellt und gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem das Halbleitersubstrat (30) in Bezug auf die Kontaktfläche mit Druck von innen nach außen an den Träger (40) angedrückt oder auf diesem ausgerollt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Klebemittel (50) aus der Gruppe verwendet wird, die besteht aus wärmeleitenden Klebstoffen, gefüllten Silikonklebstoffen, Epoxydharzklebstoffen, thermoplastischen Klebstoffen, Polyesterklebstoffen, Klebstoffen in Pastenform, flüssigen Klebstoffen, Klebstoffen in Form von Folien, Klebstoffen mit einer Wärmeleitung im Bereich von mindestens 0,5 W/mK, Klebstoffen mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von mehr als 5 W/mK und Klebstoffen, die durch Temperatur und/oder Druck flüssig werden und unter Wegnahme eines Drucks oder bei Entspannung sich verfestigen. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem Träger (40) aus der Gruppe verwendet werden, die besteht aus Kühlkörpern, Trägerplatten, Bodenplatten, Trägern aus Aluminium, Trägern aus AlSiC, MMC-Trägern, Metall-Matrix-Komposit-Trägern, Trägern aus Kupfer, vernickelten Trägern, flüssigkeitsgekühlten Trägern oder Kühlkörpern, gasgekühlten Trägern oder Kühlkörpern und dreidimensional geformten Körpern. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem Halbleitersubstrate (30) aus der Gruppe verwendet werden, die besteht aus Leistungshalbleitersubstraten, Signalelektronikhalbleitersubstraten und Halbleitersubstraten auf der Basis von Dünnschicht- oder Dickschichtkeramiken. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem mehrere Halbleitersubstrate (30) auf einem oder mehreren Abschnitten (40a1, 40a2) der Oberfläche (40a) eines oder mehrerer Träger (40) angebracht werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Klebemittel (50) mit einer Schichtstärke unterhalb von 70 &mgr;m verwendet wird.






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