CN109285790B - 压力烧结方法及用于该方法的压力传递装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种压力烧结方法及用于该方法的压力传递装置，所述压力传递装置由弹性材料形成，特别是在烧结压机的压力下形成，并且设置成布置在烧结压机的压力冲头与工件和布置在工件上的第一连接配对件之间，其中烧结材料或烧结金属布置在工件和所述第一连接配对件之间，其中由工件、烧结材料或烧结金属和所述第一连接配对件组成的组件具有第一表面轮廓，其中所述压力传递装置被设计成在所有侧面上突出于第一连接配对件，并且在其面对所述组件的侧面上具有第二表面，该第二表面具有对应于所述第一表面轮廓的负像的第二表面轮廓。同样提出了使用所述压力传递装置的两种方法。

Description

压力烧结方法及用于该方法的压力传递装置
技术领域
本发明描述了一种用于布置在压力冲头、烧结压机和工件之间的压力传递装置，该压力传递装置带有布置在其上的连接配对件，该连接配对件以材料结合的方式连接。
背景技术
例如在DE 10 2015 120 156A1中公开的已知的现有技术公开了一种设备，该设备形成有具有弹性缓冲元件的冲压冲头，该弹性缓冲元件用于将功率电子部件的第一连接配对件与第二连接配对件进行材料结合压力烧结连接，其中冲压冲头的弹性缓冲元件被尺寸稳定的框架包围，在该框架内，缓冲元件和冲压冲头的引导部分以可线性移动的方式被引导，使得尺寸稳定的框架下降到第一连接配对件上或者下降到工件载体上，其中第一连接配对件布置在工件载体中，并且在靠着工件载体定位之后，冲压冲头与弹性缓冲元件一起下降到第二连接配对件上，并且将所需压力施加在弹性缓冲元件上，以便将第一连接配对件连接到第二连接配对件。
这种设备的缺点在于，弹性缓冲元件在冲压方法期间在边缘或凹陷处受到最小的损伤，该损伤需要在冲压方法的一定次数的循环之后更换缓冲元件。
基于所述的现有技术的知识，本发明的目的是提供一种压力传递装置和利用该压力传递装置的压力烧结方法，借助于该压力传递装置和压力烧结方法，避免了在连续制造范围内的方法序列的中断。
发明内容
根据本发明，该目的通过具有本发明的特征的功率电子装置和具有本发明的特征的压力烧结方法来实现。优选实施例在说明书中描述。
根据本发明的压力传递装置由弹性材料形成，特别是在烧结压机的压力下，并且设置成布置在烧结压机的压力冲头与工件和布置在工件上的第一连接配对件之间，其中烧结材料或烧结金属布置在工件和第一连接配对件之间，其中由工件、烧结材料或烧结金属和第一连接配对件组成的组件具有第一表面轮廓，其中压力传递装置被设计成在所有侧面上突出于第一连接配对件，并且在其面向组件的侧面上具有第二表面，第二表面具有对应于第一表面轮廓的负像的第二表面轮廓。
弹性材料在这里不可避免地被理解为意味着：在施加压力之后，该材料完全恢复到其先前的形状。“对应”在这里被理解为意味着相同的拓扑结构，但不必需是相同的高度。换句话说，第二表面轮廓基本上是存在的，但不可避免地与第一表面轮廓明显不同。烧结材料被理解为是指材料混合物，举例来说，如本领域中标准的由金属颗粒和溶剂形成的材料混合物，该混合物在压力烧结方法的范围内转化为烧结金属，其中烧结金属形成材料结合连接。
特别有利的是，所述压力传递装置由弹性体材料组中的材料形成，优选硅橡胶，特别是热稳定硅橡胶，特别地是具有在30至90之间，特别是55至70之间的肖氏A硬度。
也可能是有利的是，压力传递装置由改性PTFE材料组中的材料形成，优选填充PTFE，特别是填充硅酸盐的PTFE，特别是根据DIN 28090-2具有在1％和6％之间，特别是在2％和4％之间的冷镦粗值。此外，根据ASTM F 36J的4％至10％的压缩值是有利的。
可能优选的是，压力传递装置具有用于接纳第二连接配对件或第二连接配对件的第一部分的连续凹部，该第二连接配对件被设计成通过烧结材料连接到工件。这里，压力传递装置还可以具有凹陷，该凹陷从第一表面开始并横向邻接连续凹部，用于接纳第二连接配对件的第二部分。此外，压力传递装置可以具有舌状部，该舌状部被设计成在被折叠之后覆盖凹部以及凹陷(如果存在凹陷的话)和所布置的第二连接配对件。这里特别有利的是，第一表面形成为与折叠舌状部齐平。
根据本发明的第一压力烧结方法依次具有以下基本方法步骤：
a)由工件和布置在其上的第一连接配对件形成组件，其中烧结材料布置在工件和第一连接配对件之间。
b)将根据本发明所述的压力传递装置布置在组件上。
c)将组件与压力传递装置一起布置在烧结压机的压力配对件上。这里以及下面应该理解的是，组件也可以至少部分地布置在压力配对件的凹部中。
d)在工件和第一连接配对件之间形成压力烧结连接的情况下，借助于烧结压机的压力冲头向压力传递装置施加压力，其中烧结材料被转化为烧结金属。
根据本发明的第二压力烧结方法依次具有以下基本方法步骤：
a)布置由工件和布置在其上的第一连接配对件组成的组件，其中烧结金属布置在工件和第一连接配对件之间。
b)将根据本发明所述的压力传递装置布置在组件上。
c)将第二连接配对件或第二连接配对件的第一部分布置在凹部中，并且可选地将第二部分布置在凹陷中，其中烧结材料布置在第二连接配对件的第一部分和工件之间。
d)折叠舌状部，由此覆盖凹部，可选地覆盖凹陷并且覆盖所布置的第二连接配对件。
e)将组件与压力传递装置和第二连接配对件一起布置在烧结压机的压力配对件上。
f)通过烧结压机的压力冲头向压力传递装置施加压力，其中在工件和第二连接配对件之间形成压力烧结连接，其中烧结材料被转化为烧结金属。
还应该再次指出，按照根据本发明的两种方法的方法序列，压力传递装置不是烧结压机的一部分，特别地不是压力冲头的一部分。同样重要的是，压力传递装置被引入到烧结压机中，并与工件一起从烧结压机中再次移除。换句话说，在烧结过程中，压力传递装置在相应的烧结压机中仅使用一次。
在这两种方法中，可能有利的是，压力冲头被设计成具有平坦表面的非弹性冲头，特别是金属冲头，或者被设计成具有带有平坦表面的弹性压力垫的非弹性冲头，特别是金属冲头，其中在该方法范围内的压力冲头被设置用以压在压力传递装置上。这里可能特别有利的是，压力垫由弹性体材料组中的材料形成，优选硅橡胶，特别是热稳定硅橡胶，特别地是具有在55和70之间的肖氏A硬度。
在两种方法中，可能有利的是，在施加压力期间，将工件布置在压力配对件的凹部中。压力传递装置也可以在施加压力的过程中在所有侧面上突出于工件。
特别地是，在两种方法中，压力传递装置的边缘均可以部分地或以环绕的方式完全地搁置在压力配对件上。
最后，在两种方法中，可能优选的是，压力冲头具有框架元件，该框架元件可部分地或完全地独立于压力冲头移动，并且被设计成在施加压力期间包围压力传递装置。“包围”在此旨在被理解为表示用于约束或限制横向膨胀或变形的横向限制。
当然，除非明确排除或本身排除或与本发明的概念相矛盾，否则在压力烧结方法的范围内，在每种情况下以单数提及的特征，特别是相应的连接配对件，可以以复数形式存在。
不言而喻，本发明的各种改进，无论是结合压力传递装置还是结合压力烧结方法提及的改进，都可以单独地实现或以任何期望的组合来实现，以实现改进。特别地是，在不脱离本发明的范围的情况下，上面和下面提到和解释的特征不仅可以以所述的组合使用，而且可以以其它的组合使用或单独使用。
附图说明
本发明的进一步解释、有利的细节和特征从下面对图1至6中示意性示出的本发明的示例性实施例或其相应部分的描述中显现出来。
图1以分解图示出了具有根据本发明的压力传递装置、工件、第一连接配对件和烧结压机的第一布置。
图2示出了具有根据本发明的压力传递装置、工件、第一连接配对件和烧结压机的第二布置。
图3以分解图示出了具有根据本发明的压力传递装置、工件、第一连接配对件和烧结压机的第三布置。
图4至6示出了根据本发明的压力传递装置与第二连接配对件的使用。
具体实施方式
图1以分解图示出了具有根据本发明的压力传递装置4、工件1、第一连接配对件2和烧结压机的第一布置。烧结压机具有用作烧结操作的支座的压力配对件6。所述压力配对件6具有凹部60，其中旨在通过压力烧结连接到第一连接配对件的工件1可以布置成与表面齐平，即形成共同表面。此外，烧结压机具有本领域通常使用的压力冲头7，该压力冲头7具有金属冲头70和布置在其面对压力配对件6的平坦表面上的弹性压力垫72。压力垫72由肖氏A硬度大约60的热稳定硅橡胶构成。此外，压力垫72具有面向压力配对件6的平坦表面720。
在这种布置或改进中，工件1是铝散热器，其布置成其平坦表面与烧结压机的压力配对件6的凹部60中的表面齐平。所述铝散热器1具有基体10，该基体10具有用于布置第一连接配对件2的平坦表面。在背离该表面的一侧上，此处为销形式的铝散热器1具有冷却元件12。这种类型的铝散热器1也称为销翅式散热器。
这里，第一连接配对件2被设计为本领域的标准功率半导体基板，其在两个主表面上具有陶瓷体20和金属叠片22、24，所述叠片在背离工件1的一侧上形成条形导体。功率半导体部件26布置在两个条形导体22中的每一个上，并且以材料结合的方式连接到每一个条形导体上。以本领域常规的方式，烧结材料3布置在工件1和第一连接配对件2之间，并且通过压力烧结操作转换成以材料结合的方式连接工件1和连接配对件2的烧结金属层。
还示出了根据本发明的压力传递装置4，该压力传递装置4用于布置在将通过布置在工件1和第一连接配对件1两者间的烧结材料3而连接到工件1的第一连接配对件1和具有压力垫72的压力冲头7之间。所述压力传递装置4在此在所有侧面上不仅横向突出于第一连接配对件2，而且同样也横向突出于工件1和压力配对件4的凹部60的边缘600。由工件1、烧结材料3和第一连接配对件2组成的组件具有第一表面轮廓220。压力传递装置4在其面对所述组件的一侧上具有第二表面，该第二表面具有与第一表面轮廓220的负像相对应的第二表面轮廓422。
另外，压力传递装置4具有一体形成的凸耳40，凸耳40延伸到工件1的边缘100和压力配对件6的凹部60的边缘600之间的间隙中。也可以设计成以完全围绕工件1的方式的所述凸耳40因此特别用于压力传递装置4的简单定位。这种定位特别有利，因为由此可以将由工件1和第一连接配对件2组成的整个布置作为功能单元引入到烧结压机中。这减少了处理时间，因为每个烧结操作仅将一个部件，即所述功能单元引入压机中。在该改进中，压力传递装置4与压力垫72一样由肖氏A硬度为60的热稳定硅橡胶构成。
在根据本发明的相关联的第一压力烧结方法的范围内，形成由压力传递装置4和组件组成的功能单元，该组件由工件1、烧结材料3和第一连接配对件2组成。该组件随后被引入到烧结压机中，其中工件1位于压力配对件6的凹部60中。随后，通过具有压力垫72的压力冲头7将压力引入到压力传递装置4。该压力被间接地传递到烧结材料3，其结果是：烧结材料3大体上通过附加的热供给而被转化成烧结金属。随后，将整个功能单元从烧结压机中移除。因此，用以在工件1和第一连接配对件2之间产生材料结合烧结连接的操作完成。压力传递装置4随后优选地被丢弃，但也可以成为新功能单元的一部分。因此，压力传递装置基本上也可以重复使用。
第一种方法的这种改进的显著优点是：压力垫72不会由于随后与压力传递装置4的接触而损坏，因此与现有技术相比，用于更换压力垫72的制造中断必然基本上显著减少，因为压力垫72的使用寿命显著增加。
图2示出了具有根据本发明的压力传递装置4、工件1、第一连接配对件2和烧结压机的第二布置。这种布置与根据图1的布置基本上相同。然而，这里的烧结压机只有一个压力冲头7，其被设计为非弹性冲头70，这里是金属冲头。压力传递装置4在此被设计为填充有硅酸盐并且冷镦粗值为4％的PTFE。该压力传递装置4同样具有第二表面轮廓422，该第二表面轮廓422对应于第一表面轮廓220的负像，即对应于工件1的负像，其中在两者之间布置有第一连接配对件2和烧结材料3。压力传递装置4的这种材料与通常用于压力烧结连接的弹性体，特别是硅橡胶相比具有较低的弹性。这具有特别的优点，即实际上不发生压力传递装置4的横向位移或变形，因此，参照图3，框架元件74通常可以被省略掉。第二表面轮廓422优选在压力传递装置4相对于工件1和相对于第一连接配对件2布置之前在压印方法的背景下形成。烧结方法基本上如针对图1所述的那样进行。示出了当前传递压力的第一压力烧结方法的方法步骤(步骤d)。
图3以分解图示出了具有根据本发明的压力传递装置4、工件1′、第一连接配对件2′和烧结压机的第三布置。这里工件1’是本领域的标准功率半导体基板，例如在其主表面上具有电绝缘陶瓷体20和金属叠片22、24，其中金属叠片被结构化并因此形成功率半导体基板的条形导体。这里，第一连接配对件2’是布置在条形导体22上的功率半导体部件26。烧结材料3以本领域的常规方式布置在工件1’和第一连接配对件2’之间，即条形导体22和功率半导体部件26之间。
这里，烧结压机的压力配对件6被设计为没有凹部的扁平金属板。此外，烧结压机具有设计为金属冲头70的压力冲头7和框架元件74，其中在该改进中，所述框架元件74被设计成可独立于压力冲头7移动。有时同时移动两者也可能是有利的。在两种变型中，框架元件74均在方法序列期间齐平地下降到工件1’上。随后，进一步降低压力冲头7，以便最终间接地对烧结材料施加压力。框架元件74在此用于限制压力传递装置4在施加压力的作用下的横向膨胀或变形。
在此同样由肖氏A硬度为60的热稳定硅橡胶构成的压力传递装置4与两个功率半导体部件26一起布置在压力冲头7和工件1′之间。压力传递装置4也具有所述的第二表面轮廓422。尽管在该改进中，压力传递装置4在所有侧面上横向突出于第一连接配对件2’，但它并不在所有侧面上横向突出于工件1’的。
根据本发明的第一压力烧结方法还如上所述进行。
图4至6示出了根据本发明的压力传递装置4与第二连接配对件5的使用，用于使用根据本发明的第二压力烧结方法，其中图4示出了方法步骤c)，图5示出了方法步骤d)，在每种情况下都是在横向截面图中示出。图6以三维图示的方式示出了具有三个第二连接配对件5的序列，在此，三个第二连接配对件5形成功率电子半桥电路的两个DC连接元件和一个AC连接元件。
起始点是上面布置有功率半导体部件26的功率半导体基板，如已经在图3所描述的方法的范围内通过示例形成的那样。功率半导体部件26通过烧结金属以材料结合的方式连接到功率半导体基板的条形导体22。原则上，以下所有内容也适用于第二连接配对件5与根据图1或2设计的工件的连接。
在第二压力烧结方法的范围内，连接元件5(这里是第二连接配对件)旨在以材料结合的方式连接到工件1’的条形导体22。为此，压力传递装置4具有凹部440，凹部440是连续的，即从第一表面410延伸到第二表面420。烧结材料3布置在该凹部440中并布置在条形导体22上，参见图4。第二连接配对件5直接布置在该烧结材料3上和凹部440内，使得所述第二连接配对件5的第一部分50位于烧结材料3上。
第二连接配对件5的第二部分52位于压力传递装置4上，处于非连续凹陷442中，该非连续凹陷442横向邻接连续凹部440，而不接触功率半导体基板或烧结材料3。第二连接配对件5的所述第二部分52可以在第一部分50的材料结合烧结连接之后向上弯曲，以便然后以直角向外突出。
压力传递装置4还具有舌状部446，该舌状部446弹性地且一体地连接，在方法步骤d)的范围内围绕旋转轴线444移动，并位于第二连接配对件5上，从而覆盖第二连接配对件5。这导致压力传递装置4的平坦的第一表面410的形成，所述表面面向冲压冲头7。在方法步骤f)的上下文中，通过非弹性平坦冲压冲头7向所述平坦的第一表面410施加压力。当然，压力传递装置4还具有在图1至3中描述的第二表面420的第二表面轮廓422。这里示出的压力传递装置4由肖氏A硬度为大约55的热稳定硅橡胶构成。
在所描述的根据本发明的第二压力烧结方法的上下文中，形成由压力传递装置4和组件组成的功能单元，该组件由工件1’(可选地具有以一体结合的方式连接的第一连接配对件26)、烧结材料3和第二连接配对件5组成。所述功能单元随后被引入到烧结压机中，其中工件1’位于压力配对件4的凹部440中。压力随后通过压力冲头7被引入压力传递装置4，而没有另外的压力垫。所述压力间接传递到烧结材料3，结果是：烧结材料3大体上通过附加的热供给被转化成烧结金属。随后，将整个功能单元从烧结压机中移除。因此，用以在工件1’和第二连接配对件5之间产生材料结合烧结连接的操作完成。压力传递装置4随后优选地被丢弃，但也可以成为新功能单元的一部分。因此，压力传递装置4基本上也可以重复使用。
第二种方法的这种改进的显著优点还在于，烧结压机可以非常简单地形成，即没有弹性压力垫。

Claims (27)

1.一种压力传递装置(4)，由弹性材料构成，其设置成布置在烧结压机的压力冲头(7)与工件(1,1’)和布置在所述工件(1,1’)上的第一连接配对件(2,2’)之间，其中
烧结材料(3)或烧结金属布置在所述工件(1,1’)和所述第一连接配对件(2,2’)之间，其中由所述工件(1,1’)、所述烧结材料(3)或所述烧结金属和所述第一连接配对件(2,2’)组成的组件具有第一表面轮廓(220)，其中所述压力传递装置(4)被设计成在所有侧面上至少突出于所述第一连接配对件(2,2’)，并且在其面对所述组件的侧面上具有第二表面(420)，所述第二表面(420)具有对应于所述第一表面轮廓(220)的负像的第二表面轮廓(422)，
并且其中，所述压力传递装置具有用于接收第二连接配对件(5)或所述第二连接配对件(5)的第一部分(50)的连续凹部(440)，所述第二连接配对件(5)设计成通过烧结材料(3)连接到所述工件(1,1’)。
2.根据权利要求1所述的压力传递装置，其中
所述压力传递装置由弹性体材料组中的材料构成。
3.根据权利要求1所述的压力传递装置，其中
所述压力传递装置由改性PTFE材料组中的材料形成。
4.根据权利要求1所述的压力传递装置，其中
所述压力传递装置具有从所述第一表面(410)开始并横向邻接所述连续凹部(440)的凹陷(442)，用于接纳所述第二连接配对件(5)的第二部分(52)。
5.根据权利要求4所述的压力传递装置，其中
所述压力传递装置具有舌状部(446)，所述舌状部(446)被设计成在被折叠后覆盖所述凹部(440)，并且如果存在所述凹陷(442)的话还覆盖所述凹陷(442)，并且覆盖布置后的所述第二连接配对件(5)。
6.根据权利要求5所述的压力传递装置，其中
所述第一表面(410)形成为与折叠后的舌状部(446)齐平。
7.根据权利要求2所述的压力传递装置，其中
所述压力传递装置由硅橡胶构成。
8.根据权利要求7所述的压力传递装置，其中
所述硅橡胶为热稳定硅橡胶。
9.根据权利要求2所述的压力传递装置，其中
所述弹性体材料组中的所述材料具有在30和90之间的肖氏A硬度。
10.根据权利要求2所述的压力传递装置，其中
所述弹性体材料组中的所述材料具有在55和70之间的肖氏A硬度。
11.根据权利要求3所述的压力传递装置，其中
所述压力传递装置由填充PTFE构成。
12.根据权利要求11所述的压力传递装置，其中
所述填充PTFE是填充硅酸盐的PTFE。
13.根据权利要求3所述的压力传递装置，其中
所述改性PTFE材料组中的所述材料具有在1％和6％之间的冷镦粗值。
14.根据权利要求3所述的压力传递装置，其中
所述改性PTFE材料组中的所述材料具有在2％和4％之间的冷镦粗值。
15.一种按以下基本方法步骤设计的压力烧结方法：
a)由工件(1,1’)和布置在所述工件上的第一连接配对件(2,2’)形成组件，其中烧结材料(3)布置在所述工件(1,1’)和所述第一连接配对件(2,2’)之间；
b)将根据权利要求1至14中的一项所述的压力传递装置(4)布置在所述组件上；
c)将所述组件与所述压力传递装置(4)一起布置在烧结压机的压力配对件(6)上；
d)在所述工件(1,1’)和所述第一连接配对件(2,2’)之间形成压力烧结连接的情况下，借助于所述烧结压机的压力冲头(7)向所述压力传递装置(4)施加压力，其中所述烧结材料(3)被转化成烧结金属。
16.一种按以下基本方法步骤设计的压力烧结方法：
a)布置由工件(1,1’)和布置在所述工件上的第一连接配对件(2,2’)组成的组件，其中烧结金属布置在所述工件(1,1’)和所述第一连接配对件(2,2’)之间；
b)将根据权利要求5和6中任一项所述的压力传递装置(4)布置在所述组件上；
c)将第二连接配对件(5)或所述第二连接配对件(5)的第一部分(52)布置在所述压力传递装置(4)的所述凹部(440)中，其中烧结材料(3)布置在所述第二连接配对件(5)的所述第一部分(50)和所述工件(1,1’)之间；
d)折叠所述舌状部(446)，由此覆盖所述凹部(440)和布置后的所述第二连接配对件(5)；
e)将所述组件与所述压力传递装置(4)和第二连接配对件(5)一起布置在烧结压机的压力配对件(6)上；
f)在所述工件(1,1’)和所述第二连接配对件(5)之间形成压力烧结连接的情况下，借助于所述烧结压机的压力冲头(7)向所述压力传递装置(4)施加压力，其中所述烧结材料(3)被转化成烧结金属。
17.根据权利要求16所述的压力烧结方法，其中
所述第二连接配对件(5)的第二部分(52)在步骤c)中布置在所述压力传递装置(4)的凹陷(442)中，并且其中，在步骤d)中，所述舌状部还覆盖所述凹陷，所述第二连接配对件(5)的所述第二部分(52)布置在所述凹陷中。
18.根据权利要求15或16所述的压力烧结方法，其中
所述压力冲头(7)被设计成具有平坦表面的非弹性冲头(70)，或者被设计成具有带有平坦表面(720)的弹性压力垫(72)的非弹性冲头(70)，其中在所述方法的范围内的所述压力垫(72)被设置用以压在所述压力传递装置(4)上。
19.根据权利要求17所述的压力烧结方法，其中
所述压力垫(72)由弹性体材料组中的材料形成。
20.根据权利要求15至16中的一项所述的压力烧结方法，其中
在压力的施加期间，所述工件(1,1’)布置在所述压力配对件(6)的凹部(60)中。
21.根据权利要求15至16中的一项所述的压力烧结方法，其中
在压力的施加期间，所述压力传递装置(4)在所有侧面上突出于所述工件(1,1’)。
22.根据权利要求20所述的压力烧结方法，其中
所述压力传递装置(4)的边缘部分地或以环绕的方式完全地搁置在所述压力配对件(6)上。
23.根据权利要求15至16中的一项所述的压力烧结方法，其中
所述压力冲头(7)具有框架元件(74)，所述框架元件被设计成在压力的施加期间围绕所述压力传递装置(4)。
24.根据权利要求18所述的压力烧结方法，其中
所述非弹性冲头是金属冲头。
25.根据权利要求19所述的压力烧结方法，其中
所述压力垫(72)由硅橡胶构成。
26.根据权利要求25所述的压力烧结方法，其中
所述硅橡胶是热稳定硅橡胶。
27.根据权利要求19所述的压力烧结方法，其中
所述弹性体材料组中的所述材料具有在55和70之间的肖氏A硬度。
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