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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Durchlaufofen für DCB-Substrate, die gemäß einem DCB-Prozess hergestellt werden. Dabei steht DCB für Direct Copper Bonding und basiert auf dem Prinzip, dass Sauerstoff den Schmelzpunkt von Kupfer von 1083° Celsius auf die eutektische Schmelztemperatur von 1065° Celsius reduziert. Durch Oxidation von Kupferfolien oder durch Sauerstoffzufuhr während eines Hochtemperaturprozesses zwischen 1065° Celsius und 1080° Celsius kann somit eine dünne eutektische Schmelzschicht entstehen, die mit einer darunterliegenden Schicht reagieren kann, um beispielsweise Kupfer mit Kupfer oder Kupfer mit Aluminium, Aluminiumnitrid oder einem anderen geeigneten Material zu verschmelzen.
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Für die Herstellung der DCB-Substrate ist es bekannt einen Durchlaufofen mit einer gasdichten Muffel einzusetzen. Zum Transport der DCB-Substrate durch die Muffel ist es bekannt Metallgeflechtbänder beispielsweise aus korrosionsbeständigen Nickel-Basis-Legierungen, wie beispielsweise Inconel® der Firma Special Metals Corporation einzusetzen. Diese Metallgeflechtbänder sind so angeordnet, dass sie sich von einem Eingangsbereich der Muffel bis zum Ende derselben erstrecken und durch diese hindurch laufen. An ihren Enden werden sie umgelenkt, und laufen außerhalb der Muffel wieder zum Eingang derselben zurück. Die Metallgeflechtbänder werden somit umlaufend betrieben. Durch die Muffel zu transportierende Substrate werden darauf abgesetzt und durch die Muffel transportiert.
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Dabei ergibt sich das Problem, dass die Metallgeflechtbänder in der Regel nicht so stark gespannt werden können, dass sie sich kontaktlos durch die Muffel hindurchbewegen. Vielmehr schleifen sie in der Regel auf einem Boden der Muffel, wodurch diese abgenutzt wird. Darüber hinaus entstehen durch dieses Schleifen gegebenenfalls Partikel, die den DCB-Prozess beeinträchtigen können. Der Einsatz eines solchen Metallgeflechtbandes besitzt ferner den Nachteil, dass es bei der Bewegung durch die Muffel hindurch zunächst aufgeheizt und anschließend auch wieder abgekühlt werden muss, um eine entsprechende Erwärmung und Abkühlung des DCB-Substrats zu ermöglichen. Hierdurch ist ein erheblicher Energieaufwand sowohl für die Aufheizung als auch die entsprechende Abkühlung notwendig. Ferner kann das Metallgeflechtband die Prozessatmosphäre innerhalb der Muffel und aus dieser heraus verschleppen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Durchlaufofen mit einer Muffel für DCB-Substrate vorzusehen, die einen oder mehrere der oben genannten Nachteile überwindet.
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Erfindungsgemäß ist ein Durchlaufofen nach Anspruch 1 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere ist ein Durchlaufofen mit einer Muffel für DCB-Substrat vorgesehen, wobei wenigstens in einem Hochtemperaturbereich der Muffel erste Laufrollen zum Transport der DCB-Substrate sowie erste Lager zum Lagern der Laufrollen vorgesehen sind.
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Durch das Vorsehen von Laufrollen und Lagern der Laufrollen innerhalb der Muffel kann eine stationäre Transportanordnung vorgesehen werden, die nicht durch Hoch- und Niedrigtemperaturbereiche läuft und somit auch nicht mit dem DCB-Substrat geheizt und gekühlt werden muss. Darüber hinaus kann durch die stationäre Anordnung innerhalb der Muffel eine Verschleppung der Prozessatmosphäre durch die Transporteinheit verhindert werden. Außerdem kann durch die Verwendung der stationären Laufrollen und Lager auch eine Abnutzung der Muffel verringert werden und ihre Standzeit erhöht werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Muffel in Längsrichtung hintereinander wenigstens einen Eingangsbereich, einen Hochtemperaturbereich und einen Ausgangsbereich auf, wobei die Temperaturen im Eingangs und Ausgangsbereich im Betrieb des Durchlaufofens niedriger sind als im dazwischen liegenden Hochtemperaturbereich, und wobei im Eingangs- und Ausgangsbereich der Muffel zweite Laufrollen mit entsprechenden zweiten Lagern vorgesehen sind, die sich von den ersten Laufrollen und den ersten Lagern unterscheiden. Durch die Verwendung von zweiten Laufrollen und Lagern im Eingangs- und/oder Ausgangsbereich der Muffel können gegebenenfalls die Kosten für den Durchlaufofen wesentlich reduziert werden. Die ersten Laufrollen und Lager für den Hochtemperaturbereich müssen speziell ausgebildet sein, um den hohen Temperaturen standzuhalten. Im Eingangs- und Ausgangsbereich hingegen sind die Temperaturen wesentlich geringer so dass dort auch geringere Anforderungen an die Laufrollen und Lager zu stellen sind, und hier kostengünstigere Elemente eingesetzt werden können. Beispielsweise sind die zweiten Laufrollen und/oder Lager aus Metall während die ersten Laufrollen und/oder Lager vorzugsweise aus Keramik sind.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die ersten und/oder zweiten Laufrollen frei drehbar gelagert und sehen daher keinen aktiven Antrieb für die DCB-Substrate vor. Diese können über einen externen Mechanismus, wie beispielsweise einen Schieber durch den Durchlaufofen transportiert werden. Alternativ ist es aber auch möglich, dass wenigstens eine der ersten und/oder zweiten Laufrollen mit einem Antrieb zum Drehen der Rollen verbunden ist, um hierüber einen Antrieb für die DCB-Substrate vorzusehen. Insbesondere kann wenigstens einer der zweiten Laufrollen im Eingangsbereich der Muffel mit einem Antrieb verbunden sein, um jeweils DCB-Substrate durch den Durchlaufofen hindurchzuschieben. Hierbei weist die wenigstens eine der Laufrollen vorzugsweise eine konturierte Oberfläche auf, die mit einer konturierten Unterseite eines Substratträgers für ein DCB-Substrat formschlüssig zusammenpasst, um einen sicheren Transport des DCB-Substrats vorzusehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Durchlaufofens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische perspektivische Schnittansicht eines Abschnitts des Durchlaufofens gemäß 1;
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3 eine schematische Querschnittansicht durch den Durchlaufofen, gemäß 1;
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4 eine schematische Vorderansicht einer speziellen Laufrolleneinheit der Erfindung.
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Es sei bemerkt, dass sich Angaben wie rechts, links, oben, unten sowie ähnliche Angaben auf die Figuren beziehen und nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen sind, obwohl es sich um eine bevorzugte Anordnung von Elementen handeln kann.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Durchlaufofens 1. 2 und 3 zeigen eine schematische perspektivische Ansicht sowie eine Querschnittansicht des Durchlaufofens 1.
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Der Durchlaufofen 1 weist, wie am besten in den 2 und 3 zu erkennen ist, ein Gehäuse 3, eine im Gehäuse 3 liegende Heizanordnung 5, eine Muffel 7, sowie eine Transportanordnung 9 innerhalb der Muffel 7 auf.
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Das Gehäuse 3 ist aus einem geeigneten isolierenden Material aufgebaut, um den Ofen gegenüber der Umgebung thermisch zu isolieren. Das Gehäuse 3 bildet im Inneren einen langgestreckten Kanal mit quadratischem Querschnitt. Da ein solcher Durchlaufofen 1 für DCB-Substrate eine erhebliche Länge von beispielsweise über zehn Metern aufweisen kann, kann das Gehäuse 3 in Längsrichtung segmentiert aufgebaut sein.
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Im Inneren des Gehäuses ist die Heizanordnung 5 angeordnet, die gemäß der Darstellung der 2 und 3 aus einem oberen, einem unteren, sowie seitlichen Heizelementen 11 aufgebaut ist. Natürlich ist es auch möglich in Umfangsrichtung mehrere obere und untere sowie seitliche Heizelemente 11 vorzusehen oder auch ein einzelnes umlaufendes Heizelement. In Längsrichtung des Durchlaufofens 1 sind mehrere dieser Heizanordnungen 5 hintereinander angeordnet. Die hintereinander angeordneten Heizanordnungen 5 können jeweils individuell angesteuert werden, um innerhalb des Durchlaufofens 1 ein gewünschtes Temperaturprofil einzustellen.
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Insbesondere ist der Durchlaufofen 1, wie in 1 angedeutet ist, in Längsrichtung in drei Bereiche unterteilt, einem rechts liegenden Eingangsbereich 13, einem mittig liegenden Hochtemperaturbereich 14 und einem links liegenden Ausgangsbereich 15. Heizanordnungen 5 sind im Wesentlichen im Eingangsbereich 13 und im Hochtemperaturbereich 14 angeordnet. Im Ausgangsbereich 15 kann auf Heizanordnungen 5 verzichtet werden, da dieser Bereich dazu dient, eine Abkühlung für durch den Durchlaufofen hindurch laufende Substrate, insbesondere DCB-Substrate vorzusehen. Eine solche Abkühlung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zunächst benachbart zum Hochtemperaturbereich 14 Heizanordnungen 5 entfallen und anschließend eine gestaffelte Kühlung vorgesehen wird.
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Der Eingangsbereich 13 und der Ausgangsbereich 15 sind eingangsseitig bzw. ausgangsseitig jeweils durch einen Gasvorhang gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichtet, wie bei 17 angedeutet ist.
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Im Inneren des Gehäuses 3 ist in bekannter Weise eine gasdichte Muffel 7 angeordnet, die eine Trennung zwischen den Heizelementen 11 und einem innerhalb der Muffel 7 befindlichen Prozessraum 18 vorsieht. Die Muffel 7 erstreckt sich durch den Eingangsbereich 13, den Hochtemperaturbereich 14 sowie den Ausgangsbereich 15, des Durchlaufofens 1. Wiederum kann auch die Muffel 7 in Längsrichtung segmentiert ausgebildet sein und aus mehreren Muffelsegmenten bestehen.
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Die Transportanordnung 9, die innerhalb der Muffel 7 angeordnet ist, besteht aus einer Vielzahl von Laufrollen 20, die jeweils in entsprechenden Lagern 22 aufgenommen sind. Im Nachfolgenden wird eine Kombination aus zwei Lagern 22 und einer dazwischen liegenden Laufrolle 20 als Laufrolleneinheit bezeichnet. In Längsrichtung des Durchlaufofens 1 ist eine Vielzahl dieser Laufrolleneinheiten angeordnet. Der Abstand zwischen den jeweiligen Laufrolleneinheiten ist derart gewählt, dass ein durch den Durchlaufofen 1 transportiertes Substrat 25 wenigstens immer auf zwei vorzugsweise jedoch auf drei Laufrollen 20 aufliegt.
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In den Figuren ist jeweils ein Substrat 25 schematisch angedeutet. Bei dem angedeuteten Substrat 25 handelt es sich in der Regel um einen Substratträger, auf dem das eigentliche DCB-Substrat durch den Durchlaufofen 1 hindurch transportiert wird. Hierdurch wird das eigentliche DCB-Substrat gegenüber der Fördereinrichtung geschützt. Es ist jedoch auch möglich die DCB-Substrate ohne einen Substratträger durch den Durchlaufofen 1 hindurchzufördern. Der Einsatz von Substratträgern ist jedoch insbesondere dann von Vorteil wenn die Substrate 25 einander kontaktierend durch den Durchlaufofen 1 hindurchgefördert werden. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn die Laufrolleneinheiten rein als passive Laufrolleneinheiten ausgebildet sind, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Bei solch passiven Laufrollen werden die Substrate 25 vom Eingangsbereich 13 her durch den Durchlaufofen hindurch geschoben. Wenn die Laufrolleneinheiten wenigstens teilweise mit einem Antrieb verbunden sind, dann wäre auch ein direkter Transport der DCB-Substrate denkbar, da zwischen den DCB-Substraten Abstände verbleiben können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich die Laufrolleneinheiten in den unterschiedlichen Bereichen 13 bis 15 des Durchlaufofens 1. Insbesondere werden im Hochtemperaturbereich 14 des Durchlaufofens 1 spezielle temperaturbeständige Laufrollen 20 und Lager 22 eingesetzt. Insbesondere kommen für diesen Hochtemperaturbereich, in dem Temperaturen von beispielsweise annähernd 1100° Celsius herrschen, Lager 22 und Laufrollen 20 aus Keramik in Betracht. Insbesondere können als Lager 22 Kugellager aus Keramik eingesetzt werden. Da diese jedoch mit hohen Kosten verbunden sind, können beispielsweise im Eingangsbereich 13 sowie im Ausgangsbereich 15 wenigstens teilweise Lager 22 und Laufrollen 20 aus unterschiedlichen Materialien, wie beispielsweise Metall eingesetzt werden. Je nach Temperaturprofil in Längsrichtung des Durchlaufofens 1 können somit geeignete Laufrolleneinheiten ausgewählt werden. Es ist zum Beispiel möglich, dass auch im Ausgangsbereich 15 direkt benachbart zum Hochtemperaturbereich 14 zunächst noch Lager 22 und Laufrollen 20 aus Keramik eingesetzt werden, wenn zu befürchten ist, dass die Substrate 25 zunächst noch eine zu hohe Temperatur für andere Materialen besitzen.
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Die Laufrollen 20 sind jeweils frei drehbar in den Lagern 22 gelagert und sehen einen leichten Transport der Substrate 25 durch den Durchlaufofen 1 hindurch vor. Die Substrate 25 werden vom Eingangsbereich 13 her einander kontaktierend durch den Durchlaufofen hindurchgeschoben. Hierzu ist beispielsweise ein externer Schieber 30 vorgesehen sein, der hin und her bewegbar ist, wie durch den Doppelpfeil in 1 angedeutet ist. Der Schieber 30 könnte zusätzlich in Vertikalrichtung bewegbar sein, um einen Transport zusätzlicher Substrate 25 von rechts in den Bereich des Eingangsbereichs 13 zu ermöglichen.
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Statt eines Schiebers 30 ist es auch möglich eine oder mehrere der Laufrollen 20 im Eingangsbereich 13 des Durchlaufofens 1 oder auch außerhalb des Durchlaufofens 1 mit einem Antrieb zu versehen oder zu verbinden. Eine solche Laufrolle könnte darüber hinaus eine spezielle Konturierung wie beispielsweise eine Zahnradkonfiguration aufweisen, wie beispielsweise in 4 angedeutet ist, die eine schematische Vorderansicht einer speziellen Laufrolleneinheit zeigt. Wie in 4 zu erkennen ist, besitzt die Laufrolle 20 mittig einen Zahnkranz 32. Dieser steht mit einer Unterseite des Substrats 25 in Kontakt. Das Substrat 25 besitzt an der Unterseite eine Ausnehmung 34 und wenigstens in einem Mittelbereich derselben eine dem Zahnkranz 32 entsprechende Kontur für einen Formschluss zwischen dem Zahnkranz 32 und der Kontur an der Unterseite des Substrats 25. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine Drehung der Laufrolle 20 und somit des Zahnkranzes 32 eine Längsbewegung des Substratträgers 25 bewirkt. Wie zuvor erwähnt, kann eine einzelne solche Einheit im Eingangsbereich 13 des Durchlaufofens oder auch davor vorgesehen sein, um ein Substrat 25 in Linearrichtung in den Durchlaufofen 1 hineinzufördern. Nachfolgende Substrate 25 werden in entsprechender Weise auch gefördert und schieben davorliegende Substrate durch den Durchlaufofen 1 hindurch wie schematisch in 1 angedeutet ist.
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Alternativ ist es auch möglich eine Vielzahl der Laufrolleneinheiten innerhalb des Durchlaufofens mit einem Antrieb zu verbinden, um hierüber jeweils einen Transport der Substrate 25 durch den Durchlaufofen hindurch zu ermöglichen. Wenn eine entsprechende Anzahl, beispielsweise jede zweite oder dritte Laufrolleneinheit mit einem Antrieb verbunden ist, können Substrate 25 sicher, und gegebenenfalls auch beabstandet voneinander, durch den Durchlaufofen 1 hindurch gefördert werden. Je nach Anzahl der aktiv angetriebenen Laufrolleneinheiten ist es möglich diese beispielsweise wie in 4 angedeutet auszugestalten, oder sie auch normal flach auszugestalten und eine Förderung über Reibschluss vorzusehen.
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Nachfolgend wird der Betrieb des Durchlaufofens 1 näher erläutert.
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Zunächst werden DCB-Substrate auf Substratträgern platziert und diese werden wiederum auf den Laufrolleneinheiten vor dem Eingangsbereich 13 des Durchlaufofens 1 platziert. Die Substratträger 25 werden von rechts her in den Eingangsbereichs 13 des Durchlaufofens 1 hinein geschoben. Es wird eine Vielzahl von Substratträgern 25 in den Eingangsbereich 13 hinein geschoben, so dass diese aufeinander auflaufen und sich gegenseitig durch den Durchlaufofen 1 hindurch schieben. Um einen Geradeauslauf der Substrate durch den Durchlaufofen 1 sicherzustellen können die Laufrollen und/oder die Substrate 25 eine Führungsstruktur aufweisen.
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Auf den Substratträgern liegende DCB-Substrate werden vom Eingangsbereich 13 her erwärmt und gelangen dann in den Hochtemperaturbereich 14, in dem sie die eigentliche Prozesstemperatur erreichen. Über die Einstellung der Schubgeschwindigkeit der Substratträger 25 wird die Verweildauer innerhalb des Eingangsbereichs und des Hochtemperaturbereichs 14 in gewünschter Weise eingestellt, so dass die DCB-Substrate ein bevorzugtes Temperaturprofil durchlaufen.
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Nach dem Durchlauf durch den Hochtemperaturbereich 14 gelangen die Substratträger und die darauf befindlichen DCB-Substrate in den Ausgangsbereich 15. Dort wird keine weitere Aufheizung vorgenommen und die Substrate und Substratträger kühlen ab. Innerhalb des Ausgangsbereichs 15 können auch aktive Kühlelemente vorgesehen sein, die eine gestaffelte, stärker werdende Kühlung in Längsrichtung des Durchlaufofens 1 vorsehen.
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Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben ohne auf diese beschränkt zu sein.
