DE102012212249B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundes und eines Halbleitermoduls - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines wenigstens eines Verbundes, bei dem jeweils wenigstens zwei Fügepartner (11, 12) fest miteinander verbunden werden, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Halterahmens (100), der einen Aufnahmebereich (110) aufweist, sowie eines Arbeitszylinders (120), der einen maximal möglichen Hub (Hmax) von kleiner oder gleich 5 mm aufweist; Bereitstellen einer Anzahl von N ≥ 1 Druckkammer(n) (7), von denen jede ein erstes Gehäuseelement (71) und ein zweites Gehäuseelement (72) aufweist; und wobei für jede Druckkammer (7) die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (11), eines zweiten Fügepartners (12), eines Verbindungsmittels (10) und eines Dichtmittels (4); – Bestücken der Druckkammer (7) mit dem ersten Fügepartner (11), dem zweiten Fügepartner (12) und dem Verbindungsmittel (10) derart, dass sich das Verbindungsmittel (10) zwischen dem ersten Fügepartner (11) und dem zweiten Fügepartner (12) befindet, wobei zumindest das Verbindungsmittel (10) in einem ersten Kammerbereich (61) der Druckkammer (7) angeordnet ist; – Einlegen der bestückten Druckkammer (7) in den Aufnahmebereich (110); – Anpressen des jeweiligen ersten Gehäuseelementes (71) an das jeweilige zweite Gehäuseelement (72), indem die in den Aufnahmebereich (110) eingelegte Druckkammer (7) mit Hilfe des Arbeitszylinders (120) zwischen dem Arbeitszylinder (120) und dem Halterahmen (100) eingespannt wird; – Erzeugen eines zweiten Gasdrucks (p62) in einem zweiten Kammerbereich (62) der Druckkammer (7), der höher ist als ein erster Gasdruck (p61) im ersten Kammerbereich (61), so dass der erste Fügepartner (11), der zweite Fügepartner (12) und das zwischen diesen befindliche Verbindungsmittel (10) aneinander gepresst werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Verbundes und eines Halbleitermoduls mit einem solchen Verbund. In vielen technischen Bereichen ist es erforderlich, zwei oder mehr Fügepartner stoffschlüssig miteinander zu verbinden und hierzu die Fügepartner mit hohem Anpressdruck aneinanderzupressen. Bei herkömmlichen Verfahren besteht häufig die Gefahr, dass die Fügepartner während oder nach dem Verbindungsprozess beschädigt oder mit Fremdstoffen wie beispielsweise Öl kontaminiert werden. Außerdem werden bei den herkömmlichen Verfahren sehr große Gestelle und Pressen verwendet, die den beim Pressvorgang auftretenden hohen Kräfte standhalten. Aufgrund ihrer Größe sind diese Gestelle und Pressen jedoch teuer, unhandlich, und benötigen außerdem viel Platz. Oft ist es bei herkömmlichen Verfahren auch schwierig, die Fügepartner in der Presse zu positionieren, da diese vor dem Pressvorgang in der Regel passgenau aufeinander liegend in der Presse positioniert werden müssen.
  • Aus der US 4 596 624 A ist eine Vorrichtung zum Laminieren von Mulitlayer-Leiterplatten bekannt, bei der mehrere individuell beheizbare Kammern, von denen jede mit einem zu laminierenden Verbund bestückt ist, stapelartig aufeinander liegend in ein klammerartiges Gehäuse eingesetzt werden. Mit Hilfe eines Zylinders, der sich gegen das Gehäuse abstützt, werden die Kammern aneinander gedrückt. Die einzelnen Kammern können außerdem mit einem Gasdruck beaufschlagt werden, durch den die zu laminierenden Verbünde komprimiert werden.
  • Die US 7 527 083 B2 beschreibt ein Verfahren zum Einstellen eines Spaltabstandes bei einem laminierten Körper, der aus einem Farbfiltersubstrat und einem TFT Array besteht. Hierzu wird der laminierte Körper in eine Druckkammer eingebracht. Über dem laminierten Körper liegt eine Dichtfolie. Der Bereich oberhalb der Dichtfolie wird mit einem Druck von 0 bis etwa 882 kPa beaufschlagt, so dass die der laminierte Körper durch die Dichtfolie gegen eine Wand der Druckkammer gepresst wird. Abhängig vom Druck verändert sich dabei auch der Abstand zwischen dem Farbfiltersubstrat und dem TFT Array.
  • In der US 2010/0224674 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zum Verbinden mehrerer Elemente Verbindungsschichten, die sandwichartig zwischen den Elementen angeordnet sind, gesintert werden. Hierzu wird das Sandwich in einen massiven Rahmen eingespannt und durch eine Feder, welche sich an dem Rahmen abstützt, komprimiert.
  • Die US 6 168 963 B1 betrifft ein System zum Bekleben eines Trägerfilms mit ein Vielzahl von Laserstäben. Die Stäbe werden in einer Kammer zwischen einer beheizbaren Basis und einer Abdeckmembran positioniert. Mit Hilfe eines Gasdrucks, der gegen die Abdeckmembran arbeitet, werden die Stäbe durch die Abdeckmembran gegen den Trägerfilm gepresst.
  • Aus der EP 1 772 900 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Leistungshalbleiterbauelemente durch Drucksintern mit Metallformkörpern verbunden werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Verfahren zur Herstellung eines Verbundes und eines Halbleitermoduls bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes, bei dem mindestens zwei Fügepartner fest miteinander verbunden werden. Hierzu werden ein Halterahmen mit einem Aufnahmebereich bereitgestellt, sowie ein Arbeitszylinder, der einen maximal möglichen Hub (Hmax) von kleiner oder gleich 5 mm aufweist. Ebenfalls bereitgestellt wird eine Anzahl von N ≥ 1 Druckkammer(n), wobei N = 1 oder N ≥ 2 sein kann. Eine jede der Druckkammer(n) weist wenigstens ein erstes und ein zweites Gehäuseelement auf.
  • Für jede der Druckkammern wird ein Satz mit einem ersten Fügepartner, einem zweiten Fügepartner, einem Verbindungsmittel und einem Dichtmittel bereitgestellt. Optional kann jeder Satz noch andere Elemente enthalten. Jede Druckkammer wird mit dem entsprechenden Satz bestückt, und zwar so, dass der erste Fügepartner, der zweite Fügepartner und das Verbindungsmittel derart in der jeweiligen Druckkammer angeordnet sind, dass sich das Verbindungsmittel zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner befindet. Dabei ist zumindest das Verbindungsmittel in einem ersten Kammerbereich der Druckkammer angeordnet. Jede Druckkammer wird, nachdem sie auf diese Weise bestückt wurde, in den Aufnahmebereich eingelegt. Danach wird bei jeder Druckkammer das erste Gehäuseelement an das zweite Gehäuseelement gepresst, indem die in den Aufnahmebereich eingelegte Druckkammer mit Hilfe des Arbeitszylinders zwischen dem Arbeitszylinder und dem Halterahmen eingespannt wird.
  • Im eingespannten Zustand wird in einem zweiten Kammerbereich der Druckkammer ein zweiter Gasdruck erzeugt, der höher ist als ein erster Gasdruck im ersten Kammerbereich. Hierdurch werden innerhalb der jeweiligen Druckkammer der erste Fügepartner, der zweite Fügepartner und das zwischen diesen befindliche Verbindungsmittel aneinander gepresst.
  • Sofern die Betätigung des Arbeitszylinders pneumatisch mit einem Arbeitsdruck erzeugt, können dieser Arbeitsdruck und der zweite Gasdruck optional aus derselben Quelle gespeist werden, d. h. ein Arbeitsvolumen des Arbeitszylinders und der zweite Kammerbereich sind während des eingespannten Zustandes zumindest zeitweise an dasselbe Druckvolumen angeschlossen, so dass also zumindest zeitweise eine durchgehende pneumatische Verbindung zwischen dem Arbeitsvolumen und dem zweiten Kammerbereich besteht.
  • Gemäß einer weiteren Option können die Druckkammern auch als Werkstückträger dienen und über ein Fördersystem zusammen mit den in sie eingelegten Fügepartnern dem Halterahmen zugeführt und nach dem Fügeprozess von diesem wieder abgeführt werden.
  • Mit einem auf diese Weise hergestellten Verbund lässt sich ein Halbleitermodul herstellen, wenn der erste Fügepartner als Schaltungsträger ausgebildet ist, der ein dielektrisches Keramikplättchen aufweist, das mit einer Metallisierung beschichtet ist, und wenn der zweite Fügepartner ein Halbleiterchip ist. Hierzu wird zwischen dem Verbund und einem Kontaktelement und dem Verbund eine mechanischen und eine elektrisch leitende Verbindung herstellt. Diese Anordnung wird derart im Inneren des Modulgehäuses angeordnet, dass sich das Kontaktelement vom Inneren des Modulgehäuses bis an dessen Außenseite erstreckt und dort elektrisch kontaktierbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Es zeigen:
  • 1A einen Vertikalschnitt durch eine geöffnete Druckkammer, in der zwei Fügepartner, ein Verbindungsmittel sowie ein als Folie ausgebildetes Dichtmittel angeordnet sind;
  • 1B die geschlossene Druckkammer gemäß 1A;
  • 1C die Druckkammer gemäß 1B nach dem Beaufschlagen eines zweiten Kammerbereichs mit einem zweiten Gasdruck;
  • 2 einen Vertikalschnitt durch eine stapelbare Druckkammer;
  • 3A einen Vertikalschnitt durch einen starren Halterahmen, an dem ein Arbeitszylinder befestigt ist;
  • 3B einen Vertikalschnitt durch den in 3A gezeigten Halterahmen nach dem Einlegen einer gemäß 2 ausgebildeten und bestückten Druckkammer in den Aufnahmebereich des Halterahmens;
  • 3C einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 3B nach dem Betätigen des Arbeitszylinders;
  • 3D einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 3C nach dem Beaufschlagen eines zweiten Kammerbereichs mit einem zweiten Gasdruck;
  • 4 eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 3D lediglich dadurch unterscheidet, dass dem ersten Kammerbereich kein Druck von außen zugeführt wird;
  • 5A einen Vertikalschnitt durch einen Halterahmen, in dessen Aufnahmebereich mehrere gemäß 2 ausgebildete und bestückte Druckkammern eingelegt sind;
  • 5B einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 5A nach dem Betätigen des Arbeitszylinders;
  • 5C einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 5B, während bei einer jeden der eingelegten Druckkammern ein zweiter Kammerbereich mit einem zweiten Gasdruck beaufschlagen wird;
  • 6 einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass die Folie als gasdicht geschlossener Beutel ausgebildet ist, in dem die beiden Fügepartner und das Verbindungsmittel angeordnet sind;
  • 7 einen Vertikalschnitt durch einen Halterahmen mit integriertem Arbeitszylinder;
  • 8 einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 3B lediglich dadurch unterscheidet, dass der Halterahmen nicht als geschlossener Ring ausgebildet ist;
  • 9 eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 3B lediglich dadurch unterscheidet, dass der Halterahmen aus mehreren starr miteinander verbundenen Elemente gebildet ist;
  • 10A–10D perspektivische Ansichten verschiedener Halterahmen.
  • 11 eine Draufsicht auf ein erstes Gehäuseelement, auf das ein Stapel von Fügepartnern aufgelegt ist;
  • 12 einen Vertikalschnitt durch ein Halbleitermodul, das einen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Verbund umfasst;
  • 13–14 verschiedene Beispiele für mögliche zeitliche Verläufe der ersten und zweiten Drücke sowie der Temperatur des Verbindungsmittels während eines Fügeprozesses mit einem als Sinterpaste oder als Kleber ausgebildeten Verbindungsmittel; und
  • 15–16 verschiedene Beispiele für mögliche zeitliche Verläufe der ersten und zweiten Drücke sowie der Temperatur des Verbindungsmittels während eines Fügeprozesses mit einem als Lot ausgebildeten Verbindungsmittel.
  • 1A zeigt einen Querschnitt durch eine geöffnete Druckkammer 7, welche ein erstes Gehäuseelement 71 und ein zweites Gehäuseelement 72 umfasst. In die Druckkammer 7 ist ein Stapel 1 mit einem ersten Fügepartner 11, einem mit dem ersten Fügepartner 11 zu verbindenden zweiten Fügepartner 12 sowie einem Verbindungsmittel 10 eingelegt. Bei dem ersten Fügepartner 11 kann es sich beispielsweise um ein metallisiertes Keramiksubstrat und bei dem zweiten Fügepartner 12 um einen Halbleiterchip handeln, beispielsweise um einen IGBT, einen MOSFET, einen Sperrschichtfeldeffekttransistor, einen Thyristor, oder einen beliebigen anderen steuerbaren Leistungshalbleiterchip, oder eine Diode. Ebenso kann es sich bei dem ersten Fügepartner 11 auch um eine metallische Platte und bei dem zweiten Fügepartner 12 um ein metallisiertes Keramiksubstrat handeln. Grundsätzlich kann es sich jedoch bei dem ersten und zweiten Fügepartner 11, 12 jedoch um beliebige miteinander zu verbindende Elemente handeln. Daher sind die Fügepartner 11, 12 jeweils nur schematisch dargestellt.
  • Das Verbindungsmittel 10 dient dazu, den ersten Fügepartner 11 nach dem Schließen der Druckkammer 7 während eines Verbindungsprozesses stoffschlüssig mit dem zweiten Fügepartner 12 zu verbinden. Bei dem Verbindungsprozess kann es sich beispielsweise um einen Löt-, einen Sinter- oder einen Klebeprozess handeln. Entsprechend kann es sich bei dem Verbindungsmittel 10 je nach gewünschtem Prozess um ein Lot, einen Klebstoff bzw. eine sinterfähige Paste handeln. Die Paste kann zum Beispiel Silberpulver und/oder Silberflocken enthalten, sowie ein Lösungsmittel. Im Fall einer sinterfähigen Paste kann diese auf einen oder beide Fügepartner 11, 12 aufgetragen werden. Ebenso ist es möglich, eine sinterfähige Schicht durch Aufsprühen, Sieb- oder Schablonendrucken von sinterfähigem Material auf einen oder beide Fügepartner 11, 12 zu aufzubringen.
  • Ein sinterfähiges Material kann beispielsweise aus einer Paste hergestellt werden, die Silberpulver umfasst, das mit einem Lösungsmittel versehen und damit streich-, druck- oder sprühfähig ist und so auf einen oder beide Fügepartner 11, 12 aufgetragen werden kann. Nach dem Auftragen kann die Paste unter Verdampfung des Lösungsmittels getrocknet werden. Zur Unterstützung dieses Trocknungsprozesses kann die Temperatur der Paste gegenüber Raumtemperatur (20°C) signifikant erhöht und/oder der Absolutdruck der die aufgetragene Paste umgebenden Atmosphäre auf einen Wert von deutlich kleiner als 1000 hPa reduziert werden. Falls es sich bei dem Verbindungsmittel 10 um ein sinterfähiges Material handelt ist es vorteilhaft, wenn die einander zugewandten Oberflächen der Fügepartner 11 und 12 aus einem Edelmetall, beispielsweise Gold oder Silber, bestehen. Hierzu können die Fügepartner 11, 12, unabhängig voneinander, aus dem Edelmetall bestehen oder mit einer Schicht aus dem Edelmetall versehen sein.
  • Weiterhin ist ein optionales Heizelement 8 vorgesehen, das dazu dient, den ersten Fügepartner 11, den zweiten Fügepartner 12 und das Verbindungsmittel 10 während des nachfolgenden Verbindungsprozesses zu erwärmen, so dass die Temperatur T des Verbindungsmittels 10 während des Verbindungsprozesses einem bestimmten zeitlichen Temperaturverlauf folgt. Das Heizelement 8 kann dabei lose auf dem ersten Gehäuseelement 71 aufliegen oder aber fest mit dem ersten Gehäuseelement 71 verbunden sein. Unabhängig davon ist der Stapel 1 lose auf das Heizelement 8 aufgelegt. Sofern kein Heizelement 8 vorhanden oder das Heizelement 8 in das erste Gehäuseelement 71 integriert ist, wird der Stapel 1 lose auf das erste Gehäuseelement 71 aufgelegt.
  • Wie bei allen anderen möglichen Ausgestaltungen der Erfindung kann das Heizelement 8 als elektrisches Widerstandsheizelement ausgebildet sein, oder als metallische Platte, z. B. aus Aluminium, die induktiv erwärmt wird. Die erforderlichen elektrischen Anschlussleitungen bzw. ein eventueller Induktor sind in den Figuren nicht dargestellt.
  • Die Druckkammer 7 umfasst ein erstes Gehäuseelement 71 und ein zweites Gehäuseelement 72, welche relativ zueinander beweglich sind, so dass die Druckkammer 7 geöffnet werden kann, um diese mit zwei oder mehr Fügepartnern 11, 12 und einer entsprechenden Anzahl von Verbindungsmitteln 10 zu bestücken, oder um einen fertig gestellten Verbund zwischen zwei oder mehr Fügepartnern 11, 12 aus der Druckkammer 7 zu herauszunehmen.
  • Im geschlossenen Zustand der Druckkammer 7 werden das erste Gehäuseelement 71 und das zweite Gehäuseelement 72 unter Verwendung einer zwischen den Gehäuseelementen 71 und 72 befindlichen Dichtung 73 aneinander gepresst, so dass der Spalt 74 zwischen dem ersten Gehäuseelement 71 und dem zweiten Gehäuseelement 72 gasdicht ist.
  • Über den Stapel 1 hinweg ist ein als Folie ausgebildetes Dichtmittel 4 so gelegt, so dass es bei geschlossener Druckkammer 7, wenn die Gehäuseelemente 71 und 72 aneinander gepresst werden, umlaufend in dem Spalt 74 zwischen den Gehäuseelementen 71 und 72 eingeklemmt wird und in Verbindung mit der Dichtung 73 den Spalt 74 abdichtet, was im Ergebnis in 1B gezeigt ist. Alternativ kann ein als Folie ausgestaltetes Dichtmittel 4 auch allein die Funktion der Dichtung 73 übernehmen, so dass auf eine separate Dichtung 73 verzichtet werden kann. Das Volumen des Innenraums 6 der geschlossenen Druckkammer 7 ist grundsätzlich beliebig, es kann aber bei dieser wie auch bei allen anderen Druckkammern 7 gemäß der vorliegenden Erfindung kleiner oder gleich 200 ml gewählt werden. Als Material für die Folie 4 eignet sich beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE).
  • Bei geschlossener Druckkammer 7 unterteilt die Folie 4 deren Innenraum 6 in einen ersten Kammerbereich 61 und einen zweiten Kammerbereich 62 und verhindert, dass innerhalb des Innenraums 6 ein Gasaustausch zwischen dem ersten Kammerbereich 61 und dem zweiten Kammerbereich 62 stattfindet (abgesehen von einer sehr geringen Restdiffusion, die durch die Folie hindurch stattfinden kann, was sich aber für das vorliegende Verfahren nicht nachteilig auswirkt). Der erste Kammerbereich 61 und der zweite Kammerbereich 62 sind also durch die Folie 4 im wesentlichen gasdicht voneinander separiert, so dass sich eine Differenz des Gasdruckes in den beiden Kammerbereichen 61 und 62 nur äußerst langsam ausgleichen kann.
  • Die Druckkammer 7 ist mit einem optionalen ersten Druckanschluss 81 und einem zweiten Druckanschluss 82 versehen, die mittels einer ersten Verbindungsleitung 91 bzw. mittels einer zweiten Verbindungsleitung 92 mit dem ersten Kammerbereich 61 bzw. mit dem zweiten Kammerbereich 62 verbunden sind. Über den ersten Druckanschluss 81 und die erste Verbindungsleitung 91 kann der erste Kammerbereich 61 mit einem ersten Gasdruck p61 beaufschlagt werden. Entsprechend kann der zweite Kammerbereich 62 über den zweiten Druckanschluss 82 und die zweite Verbindungsleitung 92 mit einem zweiten Gasdruck p62 beaufschlagt werden. Als Gas kann grundsätzlich ein beliebiges Gas verwendet werden, beispielsweise Luft, Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Argon (Ar), Helium (He), oder Formiergas.
  • Bei dem ersten Gasdruck p61 und dem zweiten Gasdruck p62 kann es sich, unabhängig voneinander, um einen Überdruck oder einen Unterdruck bezogen auf den Druck der die Druckkammer 7 umgebenden Atmosphäre handeln. Werden nun Drücke p61 und p62 so an die entsprechenden Druckanschlüsse 81 bzw. 82 gelegt, dass ein Differenzdruck Δp = p62 – p61 größer ist als Null, dann legt sich die Folie 4, wie in 10 gezeigt ist, an die Oberfläche des Stapels 1 an und folgt im Wesentlichen dessen Oberflächenverlauf. Hierbei dichtet die Folie 4 den Spalt zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12, in dem sich das Verbindungsmittel 10 befindet, gasdicht ab, so dass sich das Verbindungsmittel 10 in einem gasdichten Bereich 5 befindet.
  • Wenn der Differenzdruck Δp nach der Ausbildung des gasdichten Bereichs 5 weiter erhöht wird, kommt es zu einer Kompression des in dem gasdichten Bereich 5 befindlichen Restgases und der erste Fügepartner 11 und der zweite Fügepartner 12 werden aneinander gepresst. Hierbei legt sich das Verbindungsmittel 10 an die einander zugewandten Seiten der Fügepartner 11 und 12 an und wird außerdem verdichtet. Ab der Ausbildung des gasdichten Bereichs gibt es zwei Effekte, die für das weitere Fügeverfahren von wesentlicher Bedeutung sind:
    Erstens werden die beiden Fügepartner 11 und 12 umso stärker aneinander gepresst, je höher der Druck p62 ist. Um den gasdichten Bereich 5 zuverlässig aufrecht zu erhalten, muss der Druck p62 größer gewählt werden als der Druck, der in dem gasdichten Bereich 5 im Moment des Abdichtens vorliegt. Damit lässt sich über den Druck p62 die Kraft einstellen, mit der die beiden Fügepartner 11 und 12 gegeneinander gepresst werden. Dies kann im Wesentlichen unabhängig vom Druck p61 erfolgen, solange die Nebenbedingung eingehalten wird, dass p62 größer ist als p61, was gleichbedeutend damit ist, dass der Differenzdruck Δp = p62 – p61 größer ist als Null. Wenn anderenfalls der Druck p61 den Druck p61 um einen bestimmten Betrag übersteigen würde, der von der Anhaftung der Folie 4 an dem Stapel 1 und dem Heizelement 8 bestimmt ist, dann bestünde die Gefahr, dass sich die Folie 4 von dem Stapel 1 ablöst und der gasdichte Bereich 5 nicht aufrecht erhalten bliebe.
  • Zweitens lassen sich mit dem Differenzdruck Δp = p62 – p61 die Anpresskraft und damit die Stärke des thermischen Kontaktes zwischen dem Stapel 1 und dem Heizelement 8 einstellen, sowie die Anpresskraft und damit die Stärke des thermischen Kontaktes zwischen dem Heizelement 8 und dem Gehäuseelement 71. Diese Effekte spielen beim Aufheizen und Abkühlen des Stapels 1 eine Rolle.
  • Bei diesem Verfahren wirkt also auf die Fügepartner 11, 12 und das Verbindungsmittel 10 der Druck p62. Die auf das Heizelement 8 wirkende Kraft wird aber durch den Differenzdruck Δp = p62 – p61 bestimmt, also durch einen Druck, der in der Praxis wesentlich geringer gewählt wird als der Maximalwert von p62. Dadurch reduzieren auch die in dem Heizelement 8 auftretenden mechanischen Spannungen und damit einhergehend die Gefahr von Verzug oder Bruch.
  • Zum anfänglichen Aufheizen und/oder zum späteren weiteren Tempern des Stapels 1 mit Hilfe des Heizelements 8 ist es vorteilhaft, wenn dieses nicht durch das Gehäuseelement 71 gekühlt wird, d. h., wenn zwischen dem Heizelement 8 und dem Gehäuseelement 71 ein schlechter thermischer Kontakt besteht, was bedeutet, dass der Δp = p62 – p61 auf einen kleinen positiven Wert eingestellt wird. Zwar wird dabei auch die thermische Kopplung zwischen dem Stapel 1 und dem Heizelement 8 verringert, aufgrund der geringen Masse und Wärmekapazität des Stapels 1 bleibt die Heizrate aber ausreichend.
  • Im Ergebnis verringert sich die thermische Kopplung zwischen dem Heizelement 8 und dem ersten Gehäuseelement 71 und damit einhergehend die Entwärmung des Heizelementes 8 durch das erste Gehäuseelement 71 während des nachfolgenden Temperprozesses, was das Aufheizen des Stapels 1 erleichtert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Heizelement 8 eine geringe Wärmekapazität aufweist, so dass es schnell aufgeheizt werden kann. Die Wärmekapazität des Heizelements 8 muss nicht aber kann abhängig von der Art der Fügepartner 11, 12 des Stapels 1 gewählt werden. Für den Fall, dass der Stapel 1 ein metallisiertes Keramiksubstrat umfasst, nicht aber eine dicke Metallplatte, wie sie beispielsweise als Bodenplatte für ein Halbleitermodul eingesetzt wird, dann kann die Wärmekapazität des Stapels 1 – bezogen auf die Grundfläche des Keramiksubstrats – z. B. im Bereich von 0,25 J/(K·cm2) bis 1,4 J/(K·cm2) liegen. In diesem Fall kann die Wärmekapazität des Heizelementes 8 bezogen auf die Grundfläche des Keramiksubstrates z. B. im Bereich von 0,5 J/(K·cm2) bis 5 J/(K·cm2) liegen, sowie die Heizleistung des Heizelementes 8 – ebenfalls bezogen auf die Grundfläche des Keramiksubstrates – z. B. im Bereich von 5 W/cm2 bis 50 W/cm2. Diese Wertebereiche können, jeweils unabhängig voneinander, bei sämtlichen Ausgestaltungen der Erfindung eingesetzt werden. Als ”dicke Metallplatte” Sinn der obigen Definition wird eine Metallplatte angesehen, deren Dicke größer oder gleich 2,5 mm ist. Außerdem wird als Grundfläche eines Keramiksubstrates die Fläche der großflächigsten Seite des Keramikplättchens des Keramiksubstrates verstanden.
  • Wie 1C ebenfalls zu entnehmen ist, erfolgt die Erwärmung des Verbindungsmittels 10 indirekt über denjenigen der beiden Fügepartner 11, 12, der zwischen dem Heizelement 8 und dem anderen der beiden Fügepartner 12, 11 angeordnet ist.
  • Falls es sich bei dem Verbindungsmittel 10 um ein Lot handelt, werden die von dem Heizelement 8 abgegebene Wärme und/oder die Aufheizdauer so eingestellt, dass das Lot aufschmilzt und eine Lötverbindung zwischen den Fügepartnern 11 und 12 entsteht. Um ein Verlöten zu ermöglichen, weist ein jeder der Fügepartner 11, 12 auf seiner dem jeweils anderen Fügepartner 12, 11 zugewandten Seite eine metallische Oberfläche auf.
  • Optional kann vor der Entstehung des gasdichten Bereichs 5 zumindest der Druck p61 und, ebenfalls optional, auch p62, kurz vor, während oder nach dem Aufschmelzen des Lotes durch Abpumpen reduziert werden, um eventuelle Lufteinschlüsse aus dem Lot weitestgehend zu entfernen und damit eine möglichst lunkerfreie Lötung zu erreichen.
  • Nach dem Aufschmelzen des Lotes und der Erhöhung des Differenzdruckes Δp zum Anpressen des Fügepartners 12 an den Fügepartner 11 verfestigt sich das Lot bei einer hohen Temperatur T des Verbindungsmittels 10, die über dem Schmelzpunkt des Lotes liegt, was davon herrührt, dass das flüssige Lot mit einem oder mehreren Metallen aus der Metallisierung eines oder beider Fügepartner 11, 12 legiert (Diffusionslötung). Beispielsweise kann es sich bei dem Lot um ein zinnhaltiges Lot handeln, und die Metallisierungen der Fügepartner 11, 12 können jeweils Kupfer und/oder Silber enthalten oder aus Kupfer und/oder Silber bestehen. Nach dem Aufschmelzen des Lotes diffundiert Kupfer und/oder Silber aus den Metallisierungen in das Lot und bildet zusammen mit dem darin enthaltenen Zinn eine oder mehrere hochfeste und hochschmelzende intermetallische Phasen. Von diesen intermetallischen Phasen weist die intermetallische Phase Cu6Sn5 mit 415°C den niedrigsten Schmelzpunkt auf, dann folgen die Phasen Ag3Sn mit 480°C und Cu3Sn mit einem Schmelzpunkt von 676°C.
  • Nach ausreichender Ausbildung von festen, die Fügepartner 11 und 12 durchgehend verbindenden Brücken in dem Verbindungsmittel 10 wird dieses weiter langsam abgekühlt, bis es sich verfestigt, so dass eine feste, dauerhafte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 besteht.
  • Ein Lot kann beispielsweise als dünnes vorgeformtes Lotplättchen (”Preform-Lot”) zwischen die Fügepartner 11 und 12 eingelegt oder als Lotpaste auf einen oder beide Fügepartner 11 und 12 aufgetragen werden. Das Lot kann auch als dünne Oberflächenschicht auf einen beliebigen der Fügepartner 11, 12 oder auf beide Fügepartner 11, 12 aufgetragen sein. Ein vorgeformtes Lotplättchen kann beispielsweise eine Dicke von kleiner oder gleich 30 μm aufweisen. Die Schichtdicke einer auf nur einen der Fügepartner 11 oder 12 aufgetragenen Lotschicht oder die Gesamtdicke der beiden auf die Fügepartner 11 und 12 aufgetragenen Lotschichten kann dabei 5 μm bis 30 μm betragen, oder z. B. 5 μm bis 15 μm.
  • Zum Abkühlen kann die Wärmezufuhr von dem Heizelement 8 hin zu dem Stapel 1 reduziert oder unterbrochen werden. Im einfachsten Fall kann hierzu das Heizelement 8 einfach abgeschaltet werden. Die Wärme der beiden Fügepartner 11, 12 und des Verbindungsmittels 10 kann dann über das Heizelement 8 hin zum ersten Gehäuseelement 71 abfließen. Das erste Gehäuseelement 71 wirkt in diesem Fall als Kühlkörper. Alternativ dazu kann der Heizbetrieb des Heizelements 8 zwar aufrecht erhalten aber langsam gedrosselt werden, um die auftretenden thermomechanischen Spannungen gering zu halten, bevor das Heizelement 8 endgültig abgeschaltet wird.
  • Außerdem kann zum Abkühlen des Stapels 1 der Differenzdruck Δp = p62 – p61 im Vergleich zur Aufheizphase erhöht werden, so dass der Stapel 1 und das Heizelemente 8 gegen das Gehäuseelement 71 gepresst werden, welches dann als Kühlkörper wirkt.
  • Falls es sich bei dem Verbindungsmittel 10 um eine sinterfähige Paste, eine sinterfähige Folie, eine auf einen oder beide Fügepartner 11, 12 aufgetragene und dann getrocknete, sinterfähige Schicht oder um einen Klebstoff handelt, wird das Verbindungsmittel 10 so lange beheizt, bis es ausreichend gesintert bzw. ausgehärtet ist, so dass eine feste, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 besteht. Ein als sinterfähige Folie ausgebildetes Verbindungsmittel 10 kann beispielsweise als vorgeformtes (”grünes”, d. h. ungesintertes) Folienplättchen zwischen die Fügepartner 11 und 12 eingelegt werden. Falls es sich bei dem Verbindungsmittel 10 um eine sinterfähige Paste oder einen Klebstoff handelt, kann das Verbindungsmittel 10 auf einen oder beide Fügepartner 11 und 12 aufgetragen werden. Die sinterfähige Paste wird nach dem Auftragen vorzugsweise vorgetrocknet bzw. ohne Druck vorgesintert.
  • Unabhängig von der Art des Verbindungsmittels 10 wird die Druckkammer 7 nach dem Temperprozess geöffnet und der Stapel 1, in dem nun der erste Fügepartner 11 und der zweite Fügepartner 12 mit Hilfe des dazwischen befindlichen Verbindungsmittels 10 fest und stoffschlüssig miteinander verbunden sind, der Druckkammer 7 entnommen. Eine sich an den Temperprozess anschließende Abkühlphase kann ganz oder teilweise in der noch geschlossenen Druckkammer 7 stattfinden, oder aber nachdem der Stapel 1 aus der Druckkammer 7 herausgenommen wurde.
  • Bei diesem ebenso wie bei den anderen Ausführungsbeispielen sind die Positionen der Mündungsbereiche, an denen die Verbindungsleitungen 91 und 92 in den Innenraum 6 der Druckkammer 7 münden, lediglich schematisch dargestellt. Die jeweilige Position kann grundsätzlich variieren, solange gewährleitstet ist, dass die oben beschriebene Wirkungsweise realisiert werden kann. Um ein Verschließen dieser Mündungsbereiche durch die Folie 4 bei ungünstigen Druckverhältnissen zu vermeiden, können die Positionen der Mündungsbereiche abhängig von der jeweiligen Ausgestaltung gewählt werden. Der Mündungsbereich der ersten Verbindungsleitung 91 kann auch so ausgeführt sein, dass er unterhalb des Heizelements 8 umlaufend um das Heizelement 8 herum ausgebildet ist, so dass sich die dem ersten Gehäuseelement 71 zugewandte Kante des seitlichen Randes des Heizelements 8 frei in dem Mündungsbereich befindet und nicht auf dem Gehäuseelement 71 aufliegt.
  • Die in 2 gezeigte Druckkammer 7 unterscheidet sich von der in den 1A bis 1C gezeigten Druckkammer 7 dadurch, dass sie mit einer oder mehreren weiteren, identisch oder ähnlich aufgebauten Druckkammern 7 derart stapelbar ist, dass die Drücke p61 und/oder p62 im Stapel von Druckkammer 7 zu Druckkammer 7 weitergeleitet werden kann. Hierzu verläuft die betreffende Druckleitung 91, 92 jeweils zwischen einer Mündungsöffnung 83 bzw. 85 an der Unterseite 77 der Druckkammer 7 und and einer Mündungsöffnung 84 bzw. 86 an der Oberseite 78 der Druckkammer 7, wobei die Mündungsöffnungen 83 und 85 am ersten Gehäuseelement 71 und die Mündungsöffnungen 84 und 86 am zweiten Gehäuseelement 72 ausgebildet sind.
  • Jede der Druckleitungen 91, 92 ist zumindest an einer ihrer Mündungsöffnungen 83, 84 bzw. 85, 86 von einer ringförmigen Dichtung 75 umschlossen. Diese Dichtungen 75 stellen sicher, dass die betreffende Druckleitung 91, 92 hermetisch dicht an eine entsprechende Druckleitung 91, 92 einer auf die Druckkammer 7 gestapelte weitere Druckkammer 7 gekoppelt werden kann. Entsprechend sorgen ringförmige Dichtungen 76 für eine hermetische Abdichtung der Druckleitungen 91 und 92 im Bereich zwischen den Gehäuseelementen 71 und 72.
  • Die Druckleitungen 91, 92 können beispielsweise mit Hilfe von Bohrungen realisiert sein. Soweit erforderlich können offenliegende Bohröffnungen mit Hilfe eines Deckels 90 hermetisch dicht verschlossen werden. Hierzu können die Deckel 90, optional in Verbindung mit einer Dichtung, in die Bohröffnung eingeschraubt werden. Ebenso ist es möglich, die Bohröffnungen durch Aufschweißen der Deckel 90 auf die Druckkammer 7 hermetisch zu verschließen.
  • Mit einer gemäß 2 ausgebildeten Druckkammer 7 kann das bezugnehmend auf die 1A bis 1C erläuterte Fügeverfahren in gleicher Weise ausgeführt werden. Entsprechendes gilt auch für mehrere gemäß 2 ausgebildete und aufeinander gestapelte Druckkammern 7, die jeweils mit einem ersten Fügepartner 11, einem zweiten Fügepartner 12, einem Verbindungsmittel 10 und einem Dichtmittel 4 bestückt sind.
  • Anhand der 3A bis 3D wird nun das Prinzip einer Vorrichtung erläutert, mittels der die Gehäuseelemente 71 und 72 einer mit einem Stapel 1 bestückten Druckkammer 7 aneinandergepresst werden können. Die Vorrichtung umfasst einen Halterahmen 100, der einen Aufnahmebereich 110 ringförmig umschließt. Der Halterahmen 100 ist starr ausgebildet und besitzt dadurch die aufgrund des hohen Betriebsdrucks erforderliche mechanische Stabilität. An dem Halterahmen 100 ist außerdem ein Arbeitszylinder 120 mit einem Zylinderkörper 121 und einem in diesem beweglichen Kolben 122 montiert. Ein Arbeitsvolumen 125 des Arbeitszylinders 120 kann über eine Druckleitung 137 mit einem Arbeitsdruck beaufschlagt werden, um den Kolben 122 von einer unteren Position in eine obere Position zu bewegen. Optional kann der Kolben 122 an seinem oberen Ende mit einer Adapterplatte 123 versehen oder sein.
  • Wenn sich der Kolben 122, wie in 3B gezeigt, in der unteren Position befindet, kann in den Aufnahmebereich 110 eine Druckkammer 7 eingelegt werden, die wie oben bezugnehmend auf 2 erläutert ausgebildet und bestückt ist. Hierzu wird die Druckkammer 7 mit ihrer Unterseite 77 auf den Kolben 122, oder – soweit vorhanden – auf die Adapterplatte 123 aufgelegt.
  • Danach wird das Arbeitsvolumen 125 über die Druckleitung 137 mittels eines Gases oder einer Flüssigkeit mit einem Arbeitsdruck p120 beaufschlagt. Der Arbeitsdruck p120 ist so gewählt, dass sich der Kolben 122 mit der darauf befindlichen Druckkammer 7 und gegebenenfalls der Adapterplatte 123 nach oben bewegt, so dass die in dem Aufnahmebereich 110 befindliche Druckkammer 7 zwischen zwei Schenkeln 101 und 102 des Halterahmens 100 eingespannt und das erste Gehäuseelement 71 gegen das zweite Gehäuseelement 72 gepresst werden, was im Ergebnis in 3C dargestellt ist.
  • Dabei dichtet die Dichtung 73 den Spalt 74 zwischen den Gehäuseelementen 71 und 72 ab und verhindert dadurch, dass durch den Spalt 74 ein Gasaustausch zwischen dem Innenraum 6 der geschlossenen Druckkammer 7 und dem Äußeren der Druckkammer 7 stattfindet. Optional kann dabei, wie gezeigt, auch die Folie 4 zwischen den Gehäuseelementen 71 und 72 eingespannt werden.
  • Außerdem sorgen in dem beschriebenen eingespannten Zustand die Dichtungen 75 (2) für gasdichte Verbindungen zwischen der Druckleitung 91 (2) und einer im Halterahmen 100 ausgebildeten Druckleitung 131 bzw. zwischen der Druckleitung 92 (2) und einer im Halterahmen 100 ausgebildeten Druckleitung 132. Hierdurch ist es möglich, den ersten Kammerbereich 61 über einen Druckanschluss 141 und die Druckleitung 131 und 91 mit einem ersten Gasdruck p61 und den zweiten Kammerbereich 62 über einen Druckanschluss 142 und die Druckleitung 132 und 92 mit einem zweiten Gasdruck p62 zu beaufschlagen. Das Verfahren und die dabei auftretenden Effekte sind identisch mit den bereits anhand der 1A bis 1C Verfahren bzw. Effekten. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei der in den 1A bis 1C gezeigten Druckkammer 7 die Leitungsführung der Druckleitungen 91 und 92 anders gewählt ist als bei der in den 2 und 3A bis 3D gezeigten Druckkammer 7, was aber für den innerhalb der Druckkammer 7 stattfindenden Ablauf des Fügeverfahrens unerheblich ist, da es lediglich darauf ankommt, dass dem ersten Kammerbereich 61 der erste Gasdruck p61 und dem zweiten Kammerbereich 62 der zweite Gasdruck p62 zugeführt werden kann.
  • Nach dem Anlegen eines Differenzdruckes Δp = p62 – p61 > 0 legt sich die Folie 4 an den Stapel 1 an und folgt wie vorangehend erläutert dessen Oberflächenkontur. Bei ausreichend hohem Differenzdruck Δp wird dabei das Heizelement 8 zusammen mit dem Stapel 1 durch den auf die Folie 4 wirkenden Differenzdruck Δp in Richtung des ersten Gehäuseelements 71 gepresst.
  • Nachdem nun die Folie 4 den Bereich 5, in dem sich das Verbindungsmittel 10 befindet, gasdicht abgedichtet hat und das Verbindungsmittel 10 unter weiterer Erhöhung des Differenzdruckes Δp komprimiert wurde, kann der Differenzdruck Δp wieder soweit reduziert werden, dass das Heizelement 8 von dem ersten Gehäuseelement 71 ganz oder teilweise thermisch entkoppelt wird.
  • In diesem thermisch von dem Gehäuseelement 71 entkoppelten Zustand kann das Verbindungsmittel 10 zusammen mit den Fügepartnern 11, 12 wie vorangehend beschrieben getempert und mit Hilfe des Überdruckes im Reaktor 7 komprimiert, gepresst und gesintert oder gelötet werden. Um den Stapel 1 nach dem Tempern zu kühlen, kann der Differenzdruck Δp wieder auf einen Wert erhöht werden, bei dem das Heizelement 8 zusammen mit dem Stapel 1 aufgrund des auf die Folie 4 wirkenden Differenzdruckes Δp gegen das erste Gehäuseelement 71 gepresst wird, so dass der Stapel 1 und das Heizelement 8 in einem guten thermischen Kontakt mit den ersten Gehäuseelement 71 stehen, welches dann als Kühlkörper wirkt. Um der Kühlung nicht entgegenzuwirken, kann das Heizelement 8 während des Kühlvorgangs abgeschaltet werden.
  • Im Fall eines als Lot ausgebildeten Verbindungsmittels 10 kann die gesamte Druckkammer 7 zunächst auf einen sehr geringen Absolutdruck von beispielsweise kleiner 50 hPa evakuiert werden. Dann wird der Differenzdruck Δp durch Erhöhen des Drucks p62 im zweiten Kammerbereich 62 und durch Beibehalten des sehr geringen Drucks p61 im ersten Kammerbereich 61 erhöht, so dass die Folie 4 an den Stapel 1 angepresst wird. Durch den sehr geringen Druck p61 werden Lufteinschlüsse in der späteren Lotschicht vermieden. Der Differenzdruck Δp = p62 – p61 wird dabei so hoch gewählt, dass sich ein gasdichter Bereich 5 ausbildet, in dem sich das Lot 10 befindet. Der Differenzdruck Δp wird dann so weit verringert, dass die Heizplatte 8 von dem ersten Gehäuseelement 71 entkoppelt ist. Danach wird das Heizelement 8 aufgeheizt und spätestens dann, wenn das Lot aufgeschmolzen ist, der Druck p62 erhöht, so dass die Lötpartner 11 und 12 aneinander gepresst werden. Gleichzeitig kann auch der Druck p61 erhöht werden, so dass ein sehr geringer Differenzdruck Δp bestehen bleibt, um eine zu starke thermische Kopplung zischen dem Heizelement 8 und dem ersten Gehäuseelement 71 zu vermeiden. Nach der Ausbildung ausreichender intermetallischer Phasen im Lot (”Diffusionslötung”) kann durch Erhöhung des Differenzdruckes Δp, optional nach vorherigem Abschalten des Heizelements 8, gekühlt werden. Um die notwendigen Temperaturprofile des Verbindungsmittels 10 zu kontrollieren und zu steuern, kann – wie bei allen möglichen Ausgestaltungen der Erfindung – ein Temperatursensor verwendet werden, der thermisch mit dem Verbindungsmittel 10 gekoppelt ist (nicht dargestellt).
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann die Einhaltung eines bestimmten zeitlichen Verlaufs der Temperatur des Verbindungsmittels 10 dadurch eingestellt werden, dass ein bestimmter Prozessablauf mit bestimmten zeitlichen Profilen der Heizleistung des Heizelements 8, des Druckes p62 und, soweit vorgesehen, des Druckes p61, mit Teststapeln 1 (”Dummies”) gefahren und anhand des erzielten Ergebnisses bewertet wird. Ausreichend gute Ergebnisse können dann im realen Fertigungsprozess anhand eines identischen zeitlichen Temperatur- und Druckverlaufs nachgearbeitet werden. Voraussetzung dabei ist, dass die Teststapel 1 mit den im realen Fertigungsprozess verarbeiteten Stapeln 1 identisch oder zumindest vergleichbar sind.
  • Um die erreichten Maximaltemperaturen im Nachhinein feststellen zu können, kann zumindest einer der Fügepartner 11, 12 oder ein Dummy mit einer irreversibel thermochromen Farbe markiert werden, die bei Erreichen einer von der betreffenden Farbe abhängigen Grenztemperatur eine bestimmte Farbe annimmt und selbst dann beibehält, wenn die Temperatur des betreffenden Fügepartners diese Grenztemperatur wieder unterschreitet.
  • Um einen definierten Verlauf der Kühlung einzustellen, kann die thermische Kopplung zwischen dem Heizelement 8 und dem Stapel 1 einerseits und dem ersten Gehäuseelement 71 andererseits abwechselnd erhöht oder verringert werden, indem der Differenzdruck Δp erhöht bzw. verringert wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung zeigt 4. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der in 3C gezeigten Ausgestaltung lediglich dadurch, dass dem ersten Kammerbereich 61 bei geschlossener Druckkammer 7, d. h. wenn sich diese wie oben erläutert im eingespannten Zustand befindet, kein Druck von außen zugeführt wird. In diesem Fall wirkt ein Druck p62, welcher später dem zweiten Kammerbereich 62 über den Druckanschluss 142 die Druckleitung 132 zugeführt wird, gegen das im ersten Kammerbereich 61 befindliche Gas, wobei der erste Kammerbereich 61 hermetisch dicht ist. Entsprechend kann auch der Halterahmen 100 ohne Druckanschluss 141 und ohne Druckleitung 131 ausgeführt sein, wie sie in 3C gezeigt sind. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, einen solchen Druckanschluss 141 und eine solche Druckleitung 131 vorzusehen und lediglich nicht zu verwenden. Entsprechend kann auch die Druckkammer 7 ohne die in 2 gezeigte Druckleitung 91 ausgeführt sein. Alternativ dazu kann eine Druckkammer 7 auch eine derartige Druckleitung 91 aufweisen, wenn diese während des Fügevorgangs verschlossen wird.
  • Eine Druckkammer 7, wie sie beispielsweise in 2 gezeigt ist, kann auch dazu ausgebildet sein, dass sie mit einer oder mehreren mit ihr identisch oder ähnlich zu ihr aufgebauten Druckkammern 7 so gestapelt werden kann, dass der Stapel in einem Aufnahmebereich 110 eines Halterahmens 100 angeordnet werden kann, wie dies beispielhaft in 5A dargestellt ist. Der im Aufnahmebereich 110 befindliche Stapel kann dort, wie in 5B gezeigt, mit Hilfe eines Arbeitszylinders derart eingespannt werden kann, dass sämtliche Druckkammern 7 des Stapels in Stapelrichtung aneinander gepresst werden und dass außerdem bei einer jeden dieser Druckkammern 7 deren erstes Gehäuseelement 71 und deren zweites Gehäuseelement 72 aneinander gepresst werden, was im Ergebnis in 5B gezeigt ist. Zum Betätigen des Arbeitszylinders wird dessen Arbeitsvolumen 125 über die Druckleitung 137 mittels eines Gases oder einer Flüssigkeit mit einem Arbeitsdruck p120 beaufschlagt. Der Arbeitsdruck p120 ist so gewählt, dass sich der Kolben 122 mit dem darauf befindlichen Stapel von Druckkammern 7 und der optionalen Adapterplatte 123 nach oben bewegt und der in dem Aufnahmebereich 110 befindliche Stapel zwischen zwei Schenkeln 101 und 102 des Halterahmens 100 eingespannt wird.
  • Durch das Stapeln und Aneinanderpressen der Druckkammern 7 werden deren Druckleitungen 92 (siehe 2) innerhalb des Stapels pneumatisch in Reihe geschaltet, so dass ein pneumatischer oder hydraulischer Druck p62, welcher über einen Druckanschluss 142 in eine in den Halterahmen 110 integrierte Druckleitung 132 eingespeist wird, über die jeweiligen Druckleitungen 92 der Druckkammern 7 von Druckkammer 7 zu Druckkammer 7 weitergeleitet wird. Hierbei werden die Druckleitungen 92 benachbarter Druckkammern 7 jeweils mittels einer zwischen I diesen Druckkammern 7 befindlichen Dichtung 75 (siehe auch 2) abgedichtet.
  • Entsprechend werden durch das Stapeln und Aneinanderpressen der Druckkammern 7 auch deren optionale Druckleitungen 91 (siehe 2) innerhalb des Stapels pneumatisch in Reihe geschaltet, so dass ein pneumatischer oder hydraulischer Druck p61, welcher über einen Druckanschluss 141 in eine in den Halterahmen 110 integrierte Druckleitung 131 eingespeist wird, über die jeweiligen Druckleitungen 91 der Druckkammern 7 von Druckkammer 7 zu Druckkammer 7 weitergeleitet. Hierbei werden die Druckleitungen 91 benachbarter Druckkammern 7 jeweils mittels einer zwischen diesen Druckkammern 7 befindlichen Dichtung 75 (siehe auch 2) abgedichtet.
  • Die Dichtungen 75 an der Oberseite 78 der obersten Druckkammer 7 des Stapels dienen dazu, deren Druckleitung 92 und deren optionale Druckleitung 91 hermetisch dicht an die Druckanschlüsse 142 bzw. 141 anzuschließen.
  • Zwischen der Druckleitung 92 der untersten Druckkammer 7 des Stapels und der Adapterplatte 123 sowie zwischen der optionalen Druckleitung 91 der untersten Druckkammer 7 des Stapels und der Adapterplatte 123 ist jeweils eine Dichtung 79 angeordnet, mit denen die unteren Enden der Druckleitungen 92 bzw. 91 im eingespannten Zustand des Stapels hermetisch dicht verschlossen sind.
  • Der weitere Fügeprozess in den einzelnen Druckkammern 7 des Stapels kann dann ebenso erfolgen, wie dies vorangehend unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C und 2 für einzelne Druckkammern 7 erläutert wurde. 5C zeigt die Anordnung nach dem Anlegen der Drücke p61 und p62 an die Druckanschlüsse 141 bzw. 142 mit einer Druckdifferenz Δp = p62 – p61 größer als Null, so dass sich in den einzelnen Druckkammern 7 die Folie 4 an die Fügepartner 11 und 12 sowie an das optionale Heizelement 8 anlegt, wie dies in 2 für eine einzelne Druckkammer 7 gezeigt ist.
  • Bei einer weiteren, in 6 gezeigten Ausgestaltung ist das Dichtmittel 4 ebenfalls als Folie 4 ausgebildet, jedoch nicht wie bei den bisher gezeigten Varianten zwischen das erste Gehäuseelement 71 und das zweite Gehäuseelement 72 eingespannt. Statt dessen ist die Folie 4 als gasdichter, geschlossener Beutel ausgebildet, in dem der erste Fügepartner 11, der zweite Fügepartner 12 und das zwischen diesen befindliche Verbindungsmittel 10 aufeinander gestapelt angeordnet sind. Optional kann der Beutel 4 mit dem eingelegten Stapel 1, bevor er in die Druckkammer 7 eingelegt wird, evakuiert und im evakuierten Zustand gasdicht verschweißt werden. Somit befindet sich auch bei dieser Ausgestaltung das Verbindungsmittel 10 in einem gasdichten Bereich 5, der durch das Innere des Beutels 4 gegeben ist.
  • Wenn der zweiten Kammerbereich 62 nach dem Schließen des Reaktors 7 über den Druckanschluss 142 und die Druckleitung 132 mit einem Absolutdruck p62 beaufschlagt wird, der höher ist als der Umgebungsdruck der Anordnung, so werden die Fügepartner 11, 12 gegen das zwischen ihnen befindliche Verbindungsmittel 10 gepresst. Hierbei wird das Verbindungsmittel 10 verdichtet und legt sich außerdem an die einander zugewandten Seiten der Fügepartner 11 und 12 an.
  • Danach kann das Verbindungsmittel 10 wie vorangehend erläutert mit Hilfe des Heizelementes 8 aufgeheizt und getempert werden. Auch hier kann es sich bei dem Verbindungsmittel beispielsweise um ein Lot, eine sinterfähig Paste oder einen Klebstoff handeln. Anders als bei den bisher erläuterten Ausgestaltungen bewirkt eine Veränderung des Druckes p62 keine Änderung der thermischen Kopplung zwischen dem Heizelement 8 und dem ersten Gehäuseelement 71 der Druckkammer 7, da der gefüllte Folienbeutel 4 lediglich auf dem Heizelement 8 aufliegt.
  • Vielmehr wird bei dieser Ausgestaltung ein bestimmtes einzuhaltendes Temperaturprofil während des Tempervorgangs und des nachfolgenden Abkühlens im Wesentlichen durch die Regelung der Heizleistung des Heizelementes 8 gesteuert, wobei das Heizelement 8 auch abgeschaltet oder mehrfach abwechselnd aus- und eingeschaltet werden kann. Das Heizelement 8 steht kontinuierlich in ausreichend gutem thermischen Kontakt mit dem ersten Gehäuseelement 71, es kann insbesondere mit dem ersten Gehäuseelement 71 fest verbunden sein.
  • Auch das anhand von 6 erläuterte Verfahren lässt sich mit mehreren gestapelten Druckkammern 7 realisieren, wobei lediglich die Abmessungen des Halterahmens 100 an die Anzahl der gestapelt zu verarbeitenden Druckkammern 7 anzupassen ist.
  • Gemäß einer weiteren, in 7 gezeigten Ausgestaltung kann ein Arbeitszylinder 120 auch in einen Halterahmen 100 integriert sein. Diese Variante lässt sich bei allen Halterahmen 100 realisieren. Hierzu wirkt zumindest ein Teil des Halterahmens 100 als Zylinderkörper 121.
  • Hier wie auch bei allen anderen Varianten der Erfindung kann der Kolben 122 des Arbeitszylinders 120 parallel zur Richtung der Schwerkraft G einen maximal möglichen Hub Hmax von kleiner oder gleich 5 mm, kleiner oder gleich 1 mm oder kleiner oder gleich 0,2 mm aufweisen, und zwar unabhängig davon, ob der Arbeitszylinder 120 in den Halterahmen 100 integriert ist oder nicht.
  • Grundsätzlich lässt sich die Erfindung in allen Varianten mit Hilfe eines Halterahmens 100 realisieren, der starr ausgebildet ist und dadurch eine hohe Festigkeit aufweist. Um eine besonders hohe Festigkeit zu erzielen kann der Halterahmen 100 dabei als ringförmig geschlossener Rahmen ausgebildet sein, der den Aufnahmebereich 110 ringförmig umgibt.
  • Ebenso ist es jedoch möglich, dass ein Halterahmen 100 nicht ringförmig geschlossen ist. Ein Beispiel hierfür zeigt 8. Abgesehen von dem abweichenden Aufbau des Halterahmens 100 ist diese Anordnung identisch mit der Anordnung gemäß 3D. Der Fügeprozess kann auch genauso erfolgen wie dies bezugnehmend auf die 3A bis 3D beschrieben wurde.
  • Unabhängig davon, ob ein Halterahmen 100 ringförmig geschlossen ausgebildet ist oder nicht, kann er entweder aus einem einzigen Teil bestehen, wie dies in sämtlichen vorangehenden Figuren bereits gezeigt wurde, oder aber aus zwei oder mehr fest miteinander verbundenen Teilen, was in 9 anhand von vier fest miteinander verbundenen Schenkeln 101, 102, 103, 104 des Halterahmens 100 beispielhaft gezeigt wird. Die Verbindung der Schenkel 101, 102, 103, 104 kann beispielsweise mit Hilfe von Schrauben 126 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können die Schenkel 101, 102, 103, 104 jedoch auch auf jede beliebige andere Weise, z. B. durch Verschweißen, fest miteinander verbunden werden.
  • Abgesehen von der mehrteiligen Ausgestaltung des Halterahmens 100 ist diese Anordnung identisch mit der Anordnung gemäß 3B. Im Unterschied zu 3B ist jedoch eine andere Schnittebene dargestellt, um die Schrauben 126 zu zeigen.
  • Die vorangehend erläuterten möglichen Ausgestaltungen eines Halterahmens 100 lassen sich beliebig bei sämtlichen anderen Varianten der Erfindung einsetzen.
  • In den 10A bis 10D werden nun beispielhaft noch einige Varianten von Halterahmen 100 gezeigt. Zur Vereinfachung sind Druckanschlüsse 141, 142 und 147 nicht dargestellt, sie können jedoch grundsätzlich vorhanden sein.
  • Der Aufbau des Halterahmens 100 gemäß 10A entspricht dem Aufbau des in 8 gezeigten Halterahmens 100. Der Aufnahmebereich 110 befindet sich hierbei zwischen den gegenüberliegenden Schenkeln 101 und 102 des Halterahmens 100.
  • Der in 10B gezeigte Halterahmen 100 ist wie die in den 1A bis 1C, 2, 3A bis 3D, 4, 5A bis 5D, 6 und 7 als einteiliger geschlossener Ring ausgestaltet, der den Aufnahmebereich 110 umschließt.
  • Der Halterahmen 100 gemäß 10C besitzt zwei gegenüberliegende, im Wesentlichen rechteckige Schenkeln 101 und 102, die durch vier Verbindungsabschnitte 103 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsabschnitte 103 verbinden dabei jeweils zwei übereinander liegende Eckbereiche der Schenkel 101 und 102. Der gezeigte Halterahmen 100 ist einteilig ausgebildet, er könnte jedoch auch aus mehreren fest miteinander verbundenen, beispielsweise miteinander verschraubten oder miteinander verschweißten Schenkel 101, 102, 103 bestehen. Die Anzahl der Verbindungsschenkel 103 ist jedoch nicht auf vier beschränkt. Vielmehr können auch weniger oder mehr als vier Verbindungsschenkel 103 eingesetzt werden. Generell müssen jedoch nicht sämtliche Verbindungsschenkel 103 jeweils übereinander liegende Eckbereiche der Schenkel 101 und 102 verbinden. Außerdem ist es möglich und vorteilhaft aber nicht zwingend notwendig, sämtliche der übereinander liegenden Eckbereiche der Schenkel 101 und 102 durch einen Verbindungsschenkel 103 zu verbinden
  • Das für 10C Gesagte gilt entsprechend auch für den Halterahmen 100 gemäß 10D mit der Besonderheit, dass die Verbindungsabschnitte 103 in zwei parallelen Reihen angeordnet sind, von denen jede zwischen zwei übereinanderliegenden Kanten der Schenkel 101 und 102 verläuft.
  • Wie in allen vorangehenden 1A bis 1C, 2, 3A bis 3D, 4, 5A bis 5D, 6 bis 9 gezeigt wurde, kann sich der Arbeitszylinder 120 bei sämtlichen Ausgestaltungen der Erfindung in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Aufnahmebereichs 110 befinden, so dass sich der Kolben 122 nach Abschluss des Fügeprozesses durch Wegnahme des Arbeitsdrucks p120 aufgrund seines Eigengewichtes sowie aufgrund der auf ihn aufgelegten Druckkammer 7 bzw. des auf ihn aufgelegten Stapels von Druckkammern 7 nach unten bewegt und die Druckkammer 7 bzw. der Stapel von Druckkammern 7 aus dem Aufnahmebereich 110 herausgenommen werden kann.
  • Soweit bei einer ansonsten beliebigen Variante der Erfindung eine Druckleitung einer in einen Aufnahmebereich 110 eingelegten Druckkammer 7 mit einer bestimmten im Halterahmen 100 integrierten Druckleitung pneumatisch in Reihe geschaltet wird, und/oder soweit eine Druckleitung einer Druckkammer 7 mit einer Druckleitung einer auf die Druckkammer 7 gestapelten anderen Druckkammer 7 pneumatisch in Reihe geschaltet wird, ist eine ausreichend genaue Positionierung der jeweiligen Druckkammer 7 im Aufnahmebereich 110 bzw. eine ausreichend genaue relative Positionierung der aufeinander gestapelten Druckkammern 7 erforderlich. Hierzu können die jeweils relativ zueinander zu positionierenden Druckkammern 7 bzw. der Halterahmen 100 mit beliebigen Positionierungshilfen ausgestattet sein. Beispielsweise können hierzu Positioniervorsprünge an dem einen Element verwendet werden, die in Positioniermulden des anderen Elementes eingreifen.
  • Bei allen vorangehend erläuterten Beispielen wurden ein erster und ein zweiter Fügepartner 11, 12 unter Verwendung eines zwischen diesen befindlichen Verbindungsmittels 10 verbunden, wobei der erste Fügepartner 11, das Verbindungsmittel 10 und der zweite Fügepartner 12 zu einem Stapel 1 übereinander angeordnet waren.
  • Bei dem ersten Fügepartner 11 kann es sich z. B. um eine metallische Bodenplatte für ein Halbleitermodul handeln und bei dem zweiten Fügepartner 12 um einen Schaltungsträger. Ebenso kann es sich bei dem ersten Fügepartner 11 z. B. um einen Schaltungsträger handeln und bei dem zweiten Fügepartner 12 um einen Halbleiterchip. Bei sämtlichen dieser Varianten kann der Schaltungsträger als Keramikplättchen ausgebildet sein, das auf entgegengesetzten Hauptflächen jeweils mit einer Metallisierungsschicht beschichtet ist. Dabei kann zumindest eine der Metallisierungen eine Leiterbahnstruktur aufweisen.
  • Weiterhin kann ein Stapel 1 bei allen erläuterten Verfahren der Erfindung nicht nur zwei sondern auch drei oder mehr miteinander zu verbindende Fügepartner und eine entsprechende Zahl von Verbindungsmittel umfassen. So kann der Stapel als Fügepartner beispielsweise eine Bodenplatte für ein Halbleitermodul, einen Schaltungsträger wie oben erläutert und einen Halbleiterchip aufweisen, die aufeinander gestapelt sind, so dass sich der Schaltungsträger zwischen der Bodenplatte und dem Halbleiterchip befindet. Ein derartiger Stapel 1 wird bei der Vorbereitung des Fügeprozesses so in die Druckkammer 7 eingelegt und zusammen mit dieser im Aufnahmebereich 110 eines Halterahmens 100 positioniert, dass sich die Bodenplatte in Richtung der Schwerkraft unten befindet, d. h. auf der dem Arbeitszylinder 120 zugewandten Seite des Stapels 1.
  • Unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung eines Halterahmens 100 kann dieser derart ausgelegt sein, dass er einem Absolutdruck p120 des Arbeitszylinders 120 von 30 MPa (entsprechend 300 bar) standhält, wenn dieser den oder die auf ihm befindlichen Druckkammer(n) 7 in dem Halterahmen 100 verspannt.
  • 11 zeigt eine Draufsicht auf ein Gehäuseelement 71 einer Druckkammer 7, in deren Innenraum 6 ein Stapel 1 eingelegt ist, der eine metallische Bodenplatte 11 für ein Halbleitermodul, mehrere zweiseitig metallisierte keramische Schaltungsträger 12 wie erläutert sowie mehrere Halbleiterchips 13 umfasst. Die Schaltungsträger 12 sind auf die Bodenplatte 11 aufgelegt, wobei sich zwischen jedem Schaltungsträger 12 und der Bodenplatte 11 ein erstes Verbindungsmittel (verdeckt) befindet. Weiterhin ist auf jedes der Schaltungsträger 12 mindestens ein Halbleiterchip 13 aufgelegt, wobei sich zwischen jedem der Halbleiterchips 13 und dem betreffenden Schaltungsträger 12 ein zweites Verbindungsmittel (verdeckt) befindet. Über den Stapel 1 hinweg ist ein als Folie ausgebildetes Dichtmittel 4 aufgelegt, die die Bodenplatte 11, die Schaltungsträger 12 und die Halbleiterchips 13 verdeckt und sich bis über die Dichtung 73 hinweg erstreckt, weshalb die unter der Folie befindlichen und durch diese verdeckten Komponenten Bodenplatte 11, Schaltungsträger 12 und Halbleiterchips 13 gestrichelt dargestellt sind. Die Halbleiterchips 13 befinden sich dabei auf der der Bodenplatte 11 abgewandten Seite der Schaltungsträger 12. Zwischen der Bodenplatte 11 und den Schaltungsträgern 12 sowie zwischen den Schaltungsträgern 12 und den Halbleiterchips 13 bestehen noch keine festen Verbindungen. Diese werden erst nach dem Schließen der Druckkammer 7 im Rahmen eines beliebigen der vorangehend beschriebenen Fügeprozesse und unter Verwendung einer beliebigen der vorangehend beschriebenen Druckkammern 7 sowie unter Verwendung eines beliebigen vorangehend beschriebenen Halterahmens 100 hergestellt, wobei der jeweils gezeigte Stapel 1 durch den in 11 gezeigten Stapel 1 zu ersetzen ist.
  • Mit einem fertig gefügten Stapel 1, der beispielsweise zumindest eine Bodenplatte 11 und einen mit dieser stoffschlüssig verbundenen Schaltungsträger 12 umfasst, oder der zumindest einen Schaltungsträger 12 und einen mit diesem stoffschlüssig verbundenen Halbleiterchip 13 umfasst, oder der zumindest eine Bodenplatte 11, ein mit der Bodenplatte 11 stoffschlüssig verbundenes Keramikplättchen 12 und einen mit dem Keramikplättchen 12 stoffschlüssig verbundenen Halbleiterchip 13 umfasst, lässt sich ein Halbleitermodul fertigen.
  • Ein Beispiel für ein solches Halbleitermodul 200 zeigt 12. Bei diesem ist der Stapel 1 nach dem Fügeprozess mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Kontaktelementen 202 elektrisch kontaktiert und in einem Gehäuse 201 angeordnet. Der Schaltungsträger 12 umfasst dabei ein Keramikplättchen 12a, das auf entgegengesetzten Hauptflächen (d. h. den beiden flächenmäßig größten Seiten des Keramikplättchens 12a) mit Metallisierungsschichten 12b und 12t beschichtet ist. Ein erstes Verbindungsmittel 10 ist zwischen der Bodenplatte 11 und dem Schaltungsträger 12, ein zweites Verbindungsmittel 20 zwischen dem Schaltungsträger 12 und dem Halbleiterchip 13 angeordnet.
  • In den 13 und 14 werden nun zwei Beispiele für einen relativen zeitlichen Verlauf der Drücke p61 und p62 sowie der Temperatur des Verbindungsmittels 10 während eines der vorangehenden beschriebenen Fügeprozesse erläutert. Das Verbindungsmittel 10 kann dabei aus einem Kleber bestehen, oder aus einem sinterfähigen Material, welches während des Fügeprozesses gesintert wird.
  • Die obere Kurve zeigt jeweils den Verlauf des Differenzdruckes Δp = p62 – p61, die mittlere Kurve den Verlauf von p62, und die untere Kurve den Verlauf der Temperatur T des Heizelementes 8. Bei den Drücken p61 und p62 handelt es sich jeweils um Absolutdrücke. Die Beispiele lassen sich bei allen Ausgestaltungen einsetzen, bei denen der Innenraum 6 der Druckkammer 7 durch eine als Folie ausgebildetes Dichtmittel 4 in zwei Kammerbereiche 61 und 62 aufgeteilt wird, zwischen denen die Folie einen Gasaustausch verhindert. Bei den Ausgestaltungen, bei denen nur ein einheitlich mit Druck beaufschlagbarer Kammerbereich 62 vorhanden ist, gelten nur die erläuterten zeitlichen Verläufe des Drucks p62, sowie der Temperatur T des oder der Verbindungsmittel 10, 20. Die obere Kurve mit dem Verlauf eines Differenzdruckes ist in diesen Fällen nicht relevant.
  • Bei dem ersten Beispiel gemäß 13 wird nach dem Schließen der Druckkammer 7 in einem ersten Zeitintervall I bei etwas (gegenüber Raumtemperatur) erhöhter Temperatur ein Differenzdruck Δp = p62 – p61 erzeugt. Dies bewirkt, dass die Folie 4 weich wird und sich dabei an die Oberfläche eines in der Druckkammer 7 befindlichen Stapels 1 anlegt, so dass ein gasdichter Bereich 5 entsteht. Außerdem wird das Heizelement 8 vorgeheizt. In dem Zeitintervall I erreicht der Differenzdruck Δp einen Maximalwert von ΔpImax, der mindestens 2 MPa (entsprechend 20 bar) beträgt und der beispielsweise im Fall von Sintern im Bereich von 8 MPa bis 40 MPa (entsprechend 80 bar bis 400 bar liegen kann, oder im Fall von Kleben im Bereich von 2 MPa bis 5 MPa (entsprechend 20 bar bis 50 bar.
  • Danach werden der Druck p62 und die Temperatur T in einem zweiten Zeitintervall II bis auf einen Wert p62max bzw. Tmax erhöht, um die Fügepartner 11 und 12 sowie das zwischen diesen angeordnete Verbindungsmittel 10 aneinander zu pressen und (außer bei den Ausgestaltungen, bei denen nur ein einheitlich mit Druck beaufschlagbarer Kammerbereich 62 vorhanden ist) einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Stapel 1 und dem Heizelement 8 herzustellen. Dabei ist der Wert Tmax so gewählt, dass er ausreicht, um das Verbindungsmittel 10 im Fall eines Klebers auszuhärten bzw. im Fall eines sinterfähigen Materials zu sintern.
  • Nachdem der Stapel 1 im Zeitintervall II ausreichend getempert wurde, werden der Stapel 1 und damit einhergehend das Verbindungsmittel 10 abgekühlt. Hierzu kann der Differenzdruck Δp = p62 – p61 erneut erhöht werden, um die thermische Kopplung zwischen dem Stapel 1 und dem als Kühlkörper wirkenden Gehäuseelement 71 zu erhöhen (außer bei den Ausgestaltungen, bei denen nur ein einheitlich mit Druck beaufschlagbarer Kammerbereich 62 vorhanden ist).
  • Das Beispiel gemäß 14 zeigt zugnächst einen ersten Zeitabschnitt I, der identisch ist mit dem Zeitabschnitt I gemäß 13 und in dem dieselben Prozesse ablaufen. Nachdem sich ein abgedichteter Bereich 5 ausgebildet hat, in dem sich das Verbindungsmittel 10 befindet, kann der Differenzdruck Δp fallen, während der Druck p62 in einem Zeitintervall II' weiter erhöht wird. Während eines nachfolgenden Zeitintervalls II'' wird dann auch die Temperatur T erhöht. Der Temperaturanstieg erfolgt also gegenüber dem Anstieg des Druckes p62 verzögert. Dadurch wird beim Sintern zunächst das Verbindungsmittel 10 stark komprimiert (beginnend im Abschnitt II' und im Abschnitt II'' aufrecht erhalten). Im Abschnitt II'' wird die Klebung bzw. die Sinterung aufgrund der hohen Temperatur T komplettiert. Im Fall einer Sinterverbindung wird damit eine hohe Dichte des gesinterten Materials erreicht, was hinsichtlich der Festigkeit der Sinterverbindung wie auch hinsichtlich der thermischen Kopplung zwischen den Fügepartnern 11, 12 vorteilhaft ist.
  • Generell ist es speziell bei der Herstellung von Sinterverbindungen, wenn also das Verbindungsmittel 10 aus einem beliebigen sinterfähigen Material besteht, wichtig, dass der für den Sinterprozess erforderliche Maximalwert des Druckes p62 erreicht ist, bevor die Temperatur T auf die Temperatur hochgefahren wird, bei der das Verbindungsmittel 10 sintert. Anderenfalls bestünde vor allem bei Sintermaterialien mit Nanostruktur die Gefahr einer vorzeitigen Sinterung, was zur Ausbildung einer stark porösen Struktur führen würde, die sich auch nicht mehr komprimieren ließe.
  • Bei der Herstellung von Sinterverbindungen kann die Temperatur Tmax beispielsweise höchstens 280° betragen, oder höchstens 260°C. Unabhängig davon kann der maximale Druck p62max mindestens 5 MPa, mindestens 8 MPa oder mindestens 15 MPa (entsprechend mindestens 50 bar, mindestens 80 bar oder mindestens 150 bar) betragen. Außerdem kann der maximale Druck p62max, unabhängig von Tmax und unabhängig von seinem Mindestwert, höchstens 30 MPa oder höchstens 50 MPa (entsprechend höchstens 300 bar oder höchstens 500 bar) betragen.
  • Im Übrigen können bei allen Ausgestaltungen der Erfindung, also nicht nur bei der Herstellung von Sinterverbindungen, der Druck p61 (soweit bei den betreffenden Druckkammern 7 bzw. Haltrahmen 100 vorgesehen), der Druck p62 und die Temperatur T unabhängig voneinander gefahren werden.
  • In den 15 und 16 werden nun zwei Beispiele für einen relativen zeitlichen Verlauf von Druck und Temperatur während eines der vorangehenden beschriebenen Diffusionslötprozesse erläutert, bei dem das Verbindungsmittel 10 aus einem Lot besteht, welches bei dem Fügeprozess bis über seinen Schmelzpunkt TΘ erhitzt und dabei aufgeschmolzen und danach abgekühlt wird. Die obere Kurve zeigt jeweils den Verlauf des Differenzdruckes Δp = p62 – p61, die mittlere Kurve den Verlauf von p62, und die untere Kurve den Verlauf der Temperatur T des Verbindungsmittels 10. Bei den Drücken p61 und p62 handelt es sich um Absolutdrücke. Die Beispiele lassen sich bei allen Ausgestaltungen einsetzen, bei denen der Innenraum 6 der Druckkammer 7 durch eine als Folie ausgebildetes Dichtmittel 4 in zwei Kammerbereiche 61 und 62 aufgeteilt wird, zwischen denen die Folie einen Gasaustausch verhindert. Bei den Ausgestaltungen, bei denen nur ein einheitlich mit Druck beaufschlagbarer Kammerbereich 62 vorhanden ist, gelten nur die erläuterten zeitlichen Verläufe des Drucks p62, sowie der Temperatur T des Verbindungsmittels 10, 22. Die obere Kurve mit dem Verlauf eines Differenzdruckes ist in diesen Fällen nicht relevant.
  • Bei dem Beispiel gemäß 15 befindet sich die geschlossene Druckkammer 7 (im Fall von zwei Kammerbereichen 61 und 62 beide Kammerbereiche 61, 62) zunächst auf Normaldruck pR, d. h. auf dem die Druckkammer 7 umgebenden Raumdruck. Dann wird der Innenraum 6 (bzw. beide Kammerbereiche 61, 62) auf einen sehr geringen Absolutdruck, beispielsweise kleiner als 50 hPa, evakuiert, so dass im Fall von zwei Kammerbereichen 61, 62 der Differenzdruck Δp = p62 – p61 gleich Null ist. Das Evakuieren des ersten Kammerbereichs 61 bewirkt, dass beim nachfolgenden Aufschmelzen des Lotes im Intervall III eventuelle Lufteinschlüsse aus dem Verbindungsmittel 10 entweichen können, um eine möglichst lunkerfreie Lötung zu erzielen. Außerdem wird im Intervall I die Temperatur T des Verbindungsmittels 10 von Raumtemperatur TR auf eine Temperatur erhöht, die geringer ist als der Schmelzpunkt TΘ des Verbindungsmittels 10. Hierbei wird das Aufheizen des Stapels 1 mit dem Verbindungsmittel 10 und den Fügepartnern 11, 12 erleichtert, weil aufgrund des Differenzdrucks von Δp gleich Null nur eine geringe thermische Kopplung zwischen dem Stapel 1 und dem Gehäuseelement 71 besteht.
  • In einem nachfolgenden Intervall II wird die Temperatur T weiter mit einer Aufheizrate erhöht, die geringer ist als die Aufheizrate im Intervall I, bis am Ende des Intervalls II der Schmelzpunkt TΘ des Verbindungsmittels 10 erreicht ist, so dass sich dieses verflüssigt. Ab Erreichen des Schmelzpunktes TΘ können eventuelle Lufteinschlüsse aus dem Lot entweichen.
  • In einem nachfolgenden Intervall III wird die Temperatur T noch bis zu einer Maximaltemperatur Tmax, die höher ist als der Schmelzpunkt TΘ, erhöht, so dass ein vollständiges Aufschmelzen des Verbindungsmittels 10 sichergestellt ist. Der Schmelzpunkt TΘ kann beispielsweise im Bereich von 220°C liegen.
  • In einem nachfolgenden Intervall IV werden der Druck p62 auf einen Maximaldruck p62max, beispielsweise 5 MPa (entsprechend 50 bar), und der Druck p61 auf Umgebungsdruck PR, beispielsweise 100 kPa (entsprechend 1 bar), erhöht, so dass der maximale Differenzdruck Δp_max in dem genannten Beispiel 4,9 MPa (entsprechend 49 bar) beträgt. Optional kann der Druck p61 im Intervall IV wieder auf Umgebungsdruck pR gebracht werden. Durch das Erhöhen des Drucks p62 bei aufgeschmolzenem Verbindungsmittel 10 werden die Fügepartner 11, 12 durch den Druck p62 aneinandergepresst. Hierbei wird das aufgeschmolzene Verbindungsmittel 10 zu einer sehr dünnen Schicht zusammengepresst, was ein Durchlegieren des Lotes begünstigt, da es hierbei darauf ankommt, dass Material aus zumindest einem der an das Verbindungsmittel 10 angrenzenden Fügepartner 11, 12 in das flüssige Lot eindringt und dieses dabei möglichst vollständig durchdringt. Durch eine dünne Lotschicht reduzieren sich die erforderlichen Diffusionsstrecken, was ein Durchlegieren begünstigt.
  • In einem anschließenden Intervall V werden die Drücke p62 und p61 sowie die Temperatur T konstant auf hohem Niveau gehalten, um ein möglichst vollständiges Durchlegieren des Lotes zu erreichen. Mit dem Beispiel gemäß 15 soll veranschaulicht werden, dass die Temperatur T auch erhöht (Intervall IV) und/oder auf hohem Niveau gehalten (Intervall V) werden kann, wenn durch einen hohen Differenzdruck Δp eine gute thermische Kopplung zwischen dem Stapel 1 und dem Gehäuseelement 71 besteht (ausgenommen wiederum bei den Ausgestaltungen, bei denen nur ein einheitlich mit Druck beaufschlagbarer Kammerbereich 62 vorhanden ist). Abweichend davon könnte der Druck p61 jedoch auch in dem Intervall IV zusammen mit dem Druck p62 hochgefahren und in dem Intervall V auf hohem Niveau gehalten werden, und zwar in beiden Fällen so, dass der Differenzdruck Δp = p62 – p61 gleich Null ist, oder nur einen sehr geringen Wert, beispielsweise kleiner 100 kPa oder kleiner 500 kPa (entsprechend kleiner 1 bar oder kleiner 5 bar), besitzt.
  • Mit einem weiteren Intervall VI folgt eine Abkühlphase, bis die Temperatur T am Ende des Intervalls VI Raumtemperatur TR erreicht hat und die Druckkammer(n) 7 bzw. deren Kammerbereiche 61, 62 auf Umgebungsdruck PR gebracht werden können. Alternativ dazu können die Druckkammer(n) 7 bzw. deren Kammerbereiche 61, 62 bei oder auch vor Erreichen der Raumtemperatur TR auf Umgebungsdruck pR gebracht werden, sofern die Temperatur T des Verbindungsmittels 10 schon so weit abgesunken ist, dass der gefügte Stapel 1 eine ausreichende Festigkeit aufweist.
  • Bei dem Beispiel gemäß 16 befindet sich die geschlossene Druckkammer 7 (im Fall von zwei Kammerbereichen 61 und 62 beide Kammerbereiche 61, 62) zunächst auf Normaldruck pR. Dann wird die Druckkammer 7 (bzw. beide Kammerbereiche 61, 62) während eines Intervalls I bei Raumtemperatur TR auf einen sehr geringen Absolutdruck, beispielsweise kleiner als 50 hPa, evakuiert, so dass im Fall von zwei Kammerbereichen 61, 62 ein Differenzdruck Δp = p62 – p61 von exakt Null vorliegt. Diese Werte werden während eines nachfolgenden Intervalls II konstant gehalten.
  • In einem nachfolgenden Intervall III wird der Druck p62 auf einen hohen Druck p62max, beispielsweise 4,1 MPa (entsprechend 41 bar), gefahren, während der Druck p61 auf Umgebungsdruck pR, beispielsweise 100 kPa (entsprechend 1 bar), erhöht wird, was insgesamt einen Anstieg des Differenzdrucks Δp = p62 – p61 auf einen Maximalwert Δp_max auf 4 MPa (entsprechend 40 bar) bewirkt. Hierdurch werden zum Einen die beteiligten Fügepartner 11, 12 aufgrund des hohen Werts von p62 aneinander gepresst, zum Anderen bewirkt der hohe Differenzdruck Δp (ausgenommen wiederum bei den Ausgestaltungen, bei denen nur ein einheitlich mit Druck beaufschlagbarer Kammerbereich 62 vorhanden ist) ein Anpressen des Stapels 1 in Richtung des ersten Gehäuseelements 71.
  • Danach wird die Temperatur T während eines Intervalls IV bei konstant gehaltenen Drücken p61, p62 erhöht, bis am Ende des Intervalls IV der Schmelzpunkt TΘ des Verbindungsmittels 10 erreicht ist, so dass sich dieses verflüssigt und die Fügepartner 11, 12 durch den hohen Wert des Druckes p62 aneinander gepresst werden. Aufgrund des bereits aufgeschmolzenen Verbindungsmittels 10 wird dieses zu einer sehr dünnen Schicht zusammengepresst.
  • Um ein vollständiges Aufschmelzen des Verbindungsmittels 10 sicherzustellen, wird die Temperatur T in einem nachfolgenden Intervall V noch über den Schmelzpunkt TΘ hinaus bis zu einer Maximaltemperatur Tmax erhöht.
  • Nachdem die Drücke p62 und p61 sowie die Temperatur T während eines nachfolgenden Intervalls VI konstant auf hohem Niveau gehalten werden, um ein möglichst vollständiges Durchlegieren zu erreichen, folgt in einem weiteren Intervall VII eine Abkühlphase, bis die Temperatur T am Ende des Intervalls VI Raumtemperatur TR erreicht hat und die Druckkammer(n) 7 bzw. die Kammerbereiche 61, 62 auf Umgebungsdruck pR gebracht werden können.
  • Die bei den vorangehenden Beispiel genannten Temperatur- und Druckwerte sind lediglich als Beispiele zu verstehen. Dasselbe gilt auch für die relativen Verläufe der Drücke p61, 62 und der Temperatur T. Grundsätzlich können beliebige andere Werte und Verläufe eingestellt werden.
  • Bei allen Ausgestaltungen der Erfindung können die Drücke p62 und, soweit erforderlich, p61, bereitgestellt werden, indem die betreffenden Druckanschlüsse 82 bzw. 81 an Kompressoren und/oder Vakuumpumpen und/oder Druckspeicher angeschlossen werden.
  • Ebenfalls kann bei allen Ausgestaltungen der Erfindung der zweite Gasdruck p62 auch dazu verwendet werden, den Arbeitszylinder 120 zu betätigen, sofern dieser als Pneumatikzylinder ausgebildet ist. Dies ist beispielhaft in 17 erläutert, in welcher beispielhaft die in den 3A bis 3D gezeigte Anordnung verwendet wird.
  • Eine Druckquelle 150, z. B. ein Kompressor, welcher einen Druck p62 bereitstellt, ist über Pneumatik-Verbindungsleitungen 160, 162 und 167 an die Druckanschlüsse 142 bzw. 147 angeschlossen. In der Verbindungsleitung 162 zwischen der Druckquelle 150 und dem Druckanschluss 142 befindet sich ein Pneumatikventil 152, mit welchem die Verbindungsleitung 162 geschlossen oder geöffnet werden kann. Entsprechend befindet sich in der Verbindungsleitung 167 zwischen dem der Druckquelle 150 und dem Druckanschluss 147 ein Pneumatikventil 157, mit welchem die Verbindungsleitung 167 geschlossen oder geöffnet werden kann.
  • Ausgehend von der in 3B gezeigten Situation und bei geschlossenen Pneumatikventilen 152 und 157 kann nun zunächst das Pneumatikventil 157 geöffnet werden, so dass im Arbeitsvolumen 125 des Arbeitszylinders 122 der Druck p62 vorliegt und der Kolben 122 nach oben bewegt wird, so dass die Situation gemäß 3C vorliegt, wobei der in 3C gezeigte Druck p120 identisch ist mit p62. In diesem Zustand ist die Druckleitung 91 (siehe 2) an die Druckleitung 131 angeschlossen und die Druckleitung 92 (siehe 2) an die Druckleitung 132. Nun kann auch das Pneumatikventil 152 geöffnet werden, so dass auch im zweiten Kammerbereich 62 der Druck p62 vorliegt. Da der Druck p62 jetzt von entgegengesetzten Seiten auf den Kolben 122 einwirkt, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich der Kolben 122 bedingt durch sein Eigengewicht und das Gewicht der auf ihm lastenden, befüllten Druckkammer 7 in Richtung der Schwerkraft nach unten bewegen und dadurch die Verbindungen zwischen der Druckleitung 91 und der Druckleitung 131 sowie zwischen der Druckleitung 92 und der Druckleitung 132 gelöst werden. Um dies zu vermeiden, sollte die wirksame Grundfläche des Kolbens 122 größer sein als die wirksame Grundfläche, durch die der Druck p62 den Kolben nach unten drückt. Die wirksamen Grundflächen sind dabei jeweils in einer zur Richtung der Schwerkraft senkrechten Projektionsebene zu ermitteln.
  • Die wirksame Grundfläche des Kolbens 122 ist dabei die Projektionsfläche des Abschnitts der Unterseite des Kolbens 122 gegeben, auf den der Druck p62 wirkt, auf die Projektionsebene.
  • Entsprechend ist die wirksame Grundfläche, durch die der Druck p62 den Kolben nach unten drückt, durch die gesamte Projektionsfläche des Abschnittes oder der Abschnitte der Adapterplatte 123 und der Druckkammer 7 auf die Projektionsebene gegeben, auf den bzw. auf die der Druck p62 eine in Richtung der Schwerkraft nach unten gerichtete Kraft auf den Kolben ausübt. In den gezeigten Beispielen ist diese wirksame Grundfläche im Wesentlichen durch die Summe der Projektionsfläche des Innenraums 6 auf die Projektionsebene und der Projektionsflächen der an der Unterseite 77 der Druckkammer 7 befindlichen Mündungsöffnungen 83 bzw. 85 auf die Projektionsebene gegeben.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung eines wenigstens eines Verbundes, bei dem jeweils wenigstens zwei Fügepartner (11, 12) fest miteinander verbunden werden, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Halterahmens (100), der einen Aufnahmebereich (110) aufweist, sowie eines Arbeitszylinders (120), der einen maximal möglichen Hub (Hmax) von kleiner oder gleich 5 mm aufweist; Bereitstellen einer Anzahl von N ≥ 1 Druckkammer(n) (7), von denen jede ein erstes Gehäuseelement (71) und ein zweites Gehäuseelement (72) aufweist; und wobei für jede Druckkammer (7) die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (11), eines zweiten Fügepartners (12), eines Verbindungsmittels (10) und eines Dichtmittels (4); – Bestücken der Druckkammer (7) mit dem ersten Fügepartner (11), dem zweiten Fügepartner (12) und dem Verbindungsmittel (10) derart, dass sich das Verbindungsmittel (10) zwischen dem ersten Fügepartner (11) und dem zweiten Fügepartner (12) befindet, wobei zumindest das Verbindungsmittel (10) in einem ersten Kammerbereich (61) der Druckkammer (7) angeordnet ist; – Einlegen der bestückten Druckkammer (7) in den Aufnahmebereich (110); – Anpressen des jeweiligen ersten Gehäuseelementes (71) an das jeweilige zweite Gehäuseelement (72), indem die in den Aufnahmebereich (110) eingelegte Druckkammer (7) mit Hilfe des Arbeitszylinders (120) zwischen dem Arbeitszylinder (120) und dem Halterahmen (100) eingespannt wird; – Erzeugen eines zweiten Gasdrucks (p62) in einem zweiten Kammerbereich (62) der Druckkammer (7), der höher ist als ein erster Gasdruck (p61) im ersten Kammerbereich (61), so dass der erste Fügepartner (11), der zweite Fügepartner (12) und das zwischen diesen befindliche Verbindungsmittel (10) aneinander gepresst werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für jede Druckkammer (7) folgende Schritte durchgeführt werden: – Erhitzen des jeweiligen ersten Fügepartners (11), des jeweiligen zweiten Fügepartners (12) und des jeweiligen Verbindungsmittels (10) auf eine vorgegebene Temperatur, die größer ist als Raumtemperatur, während der zweite Gasdruck (p62) im jeweiligen zweiten Kammerbereich (62) vorliegt; und – nachfolgendes Abkühlen des jeweiligen ersten Fügepartners (11), des jeweiligen zweiten Fügepartners (12) und des jeweiligen Verbindungsmittels (10).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Halterahmen (100) einen ersten Schenkel (101) und einen starr mit diesem verbundenen zweiten Schenkel (102) aufweist; und sich der Aufnahmebereich (110) zwischen dem ersten Schenkel (101) und dem zweiten Schenkel (102) befindet.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Dichtmittel (4) bei einer, mehreren oder einer jeden der Druckkammern (7) als Folie ausgebildet ist, welche einen gasdichten, geschlossenen Beutel bildet, in dem der jeweilige erste Fügepartner (11), der jeweilige zweite Fügepartner (12) und das jeweilige Verbindungsmittel (10) angeordnet sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem bei einer, mehreren oder einer jeden der Druckkammern (7) das Dichtmittel (4) als Folie ausgebildet ist, die durch das Anpressen zwischen dem ersten Gehäuseelement (71) und dem zweiten Gehäuseelement (72) der jeweiligen Druckkammer (7) eingespannt wird und dabei den ersten Kammerbereich (61) von dem zweiten Kammerbereich (62) trennt; sich der erste Fügepartner (11), der zweite Fügepartner (12) und das Verbindungsmittel (10), die in die jeweilige Druckkammer (7) eingelegt sind, nach dem Einspannen der Folie zwischen dem ersten Gehäuseelement (71) und dem zweiten Gehäuseelement (72) im ersten Kammerbereich (61) befinden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest einer der Fügepartner (12) als metallisierter Keramikträger (12a) ausgebildet ist, der eine Grundfläche aufweist, die durch die großflächigste Seite diese Keramikträgers (12a) gegeben ist.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei einer, mehreren oder einer jeden der Druckkammern (7) der jeweilige erste Fügepartner (11) ein metallisierter Keramikträger (12a) und der jeweilige zweite Fügepartner (12) ein Halbleiterchip (13) ist; oder der jeweilige erste Fügepartner (11) eine metallische Platte und der jeweilige zweite Fügepartner (12) ein metallisierter Keramikträger (12a) ist.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der maximal mögliche Hub (Hmax) des Arbeitszylinders (120) kleiner oder gleich 1 mm oder kleiner oder gleich 0,2 mm ist.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Arbeitszylinder (120) als Pneumatikzylinder oder als Hydraulikzylinder ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach einem Anspruch 9, bei dem der Arbeitszylinder (120) als Pneumatikzylinder ausgebildet ist, der ein Arbeitsvolumen (125) aufweist; das Anpressen des jeweiligen ersten Gehäuseelementes (71) an das jeweilige zweite Gehäuseelement (72) dadurch erfolgt, dass dem Arbeitsvolumen (125) ein Arbeitsdruck (p120) zugeführt wird, der aus derselben Druckquelle (15) gespeist wird wie der zweite Gasdruck (p62).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem, während das jeweilige erste Gehäuseelement (71) an das jeweilige zweite Gehäuseelement (72) angepresst ist, zumindest vorübergehend eine durchgehende pneumatische Verbindung zwischen dem Arbeitsvolumen (125) und dem zweiten Kammerbereich (62) vorliegt.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der absolute Arbeitsdruck (p120) einen Wert von wenigstens 2,1 MPa annimmt.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Verbindungsmittel (10) ein Lot ist; oder eine sinterfähige Paste, die Metallflocken und/oder ein Metallpulver enthält, sowie ein Lösungsmittel.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem N = 1; oder N ≥ 2 ist.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem N ≥ 2 ist; die in den Aufnahmebereich (110) eingelegten, bestückten Druckkammern (7) übereinander angeordnet sind; und die in den Aufnahmebereich (110) eingelegten, bestückten Druckkammern (7) im eingespannten Zustand einen Stapel bilden.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls (200) mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Verbundes, der mit einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche wurde, wobei der erste Fügepartner (11) als Schaltungsträger (12) ausgebildet ist, der ein dielektrisches Keramikplättchen (12a) aufweist, das mit einer Metallisierung (12t) beschichtet ist, und wobei der zweite Fügepartner (12) ein Halbleiterchip (13) ist; Bereitstellen eines elektrisch leitenden Kontaktelementes (202) sowie eines Modulgehäuses (201); Herstellen einer mechanischen und einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Kontaktelement (202) und dem Verbund; Anordnen des Verbundes im Inneren des Modulgehäuses (201) derart, dass sich das Kontaktelement (201) vom Inneren des Modulgehäuses (201) bis an dessen Außenseite erstreckt und dort elektrisch kontaktierbar ist.
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