DE102013003527A1 - Vorrichtung zum Niedertemperatur-Drucksintern, Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern und leistungselektronische Baugruppe - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Niedertemperatur-Drucksintern elektrischer Bauelemente (8) auf ein Substrat (6) mit einem beheizbaren Oberstempel (1, 2, 3) und einem beheizbaren Unterstempel, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberstempel (1, 2, 3) und der Unterstempel jeweils mindestens ein Druckkissen (4) aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Niedertemperatur-Drucksintern mit einem beheizbaren Oberstempel und einem beheizbaren Unterstempel. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern elektrischer Bauelemente auf ein Substrat, wie auch eine elektronische Baugruppe bestehend aus einer Mehrzahl von mit einem Substrat durch Niedertemperatur-Drucksintern verbundenen elektrischen Bauelementen.
  • Das Niedertemperatur-Drucksintern ist eine Verbindungstechnik von elektrischen Bauelementen mit einem Substrat, die als reine Festkörperreaktion bei relativ niedrigen Prozesstemperaturen durchgeführt wird und elektronische Baugruppen liefert, die sich durch eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe Belastbarkeit auszeichnen.
  • Das Sintern von Halbleitern und passiven Bauelementen auf geeignete Substrate, wie etwa Direct-Copper-Bond-Substrate (DCB) oder Insulated-Metal-Substrate (IMS), geschieht regelmäßig durch einseitiges Aufheizen eines auf der Unterseite der zu sinternden Baugruppe angeordneten unnachgiebigen Unterstempels und dem gleichzeitigen Aufbringen von Montagedruck von der der Wärme abgewandten Oberseite mittels eines Oberstempels, wobei bei einigen speziellen Anwendungen zusätzlich auch der Oberstempel beheizt sein kann.
  • Zur Vermeidung von Druckspitzen beim einseitigen Drücken von der Oberseite werden üblicherweise nachgiebige und zugleich temperaturbeständige Werkstoffe wie Silicone als Druckkissen eingesetzt. Diese Druckkissen verteilen den Fügedruck während des Sintervorganges möglichst gleichmäßig auf die zu sinternden Objekte. Kanten werden hierbei umflossen, so dass quasi-hydrostatische, jedoch einseitig nachgiebige Pressbedingungen herrschen.
  • Diese Fügetechnik führt dazu, dass derartige Substrate nur einseitig mit Bauelementen bestückt sind. Die den Bauelementen abgewandte Fläche des Substrats dient dabei der harten Heizfläche, also dem beheizten Unterstempel, zur Einbringung der Prozesswärme und als Widerlager bei der Druckaufbringung durch den „weichen” Oberstempel.
  • An dem bekannten Verfahren nachteilig ist es jedoch, dass für das Heizen der unbestückten Substratunterseite und des Einbringens des Fügedruckes durch ein Druckkissen auf der bestückten Oberseite des Substrats Druck- und temperaturbeständige Haltevorrichtungen eingesetzt werden müssen, die üblicherweise aus Metall hergestellt sind und eine beträchtliche Wärmekapazität darstellen, die eine hohe Heizenergie erforderlich machen und bei jedem Aufheiz- und Abkühlvorgang zusätzliche Prozesszeit benötigen. Diese metallischen Haltevorrichtungen wie auch der beheizte Unterstempel leiten dabei während der Aufheiz- und Abkühlphase unter Fügedruck schädlichen Scherstress an die unbestückte Substratunterseite weiter, wodurch es zu Rissen im Substratmaterial kommen kann.
  • Wird darüber hinaus die zu sinternde Baugruppe komplett in einem Fluid eingeschlossen und unter Aufbringen eines hydrostatischen Drucks und Aufheizung die gewünschte Fügung in einer fluidgefüllten Kammer bewirkt, ist der Gebrauch des notwendigerweise temperaturbeständigen Fluids (z. B. Hochtemperaturöle und Fluorkohlenwasserstoffe) aufgrund dessen klimaschädlichen Wirkung von Nachteil. Außerdem muss die gesinterte Baugruppe nach dem Fügeprozess von den Flüssigkeitsresten durch energieverzehrende Reinigungsprozesse gereinigt werden, wobei die verwendeten Fluide häufig auch ein Korrosions- oder Kontaminationsrisiko für die elektrischen Bauelemente darstellen oder nachfolgende Fertigungsprozesse werden behindert (z. B. schließen sich verölte Oberflächen und Ultraschalldrahtbonden aus).
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung für ein Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern zu schaffen, bei dem auf umweltschädliche Fluide und den Zeit- und Energieaufwand erhöhende Haltevorrichtungen verzichtet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst. Die jeweils von den nebengeorndeten Ansprüchen abhängigen Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, das Niedertemperatur-Drucksintern von elektrischen Bauelementen mit ihren Substraten zu einer Baugruppe mittels einem Ober- und einem Unterstempel durchzuführen, die beide je ein beheiztes Druckkissen aufweisen. Durch die beidseits auf die Baugruppe wirkenden Druckkissen wird erreicht, dass auf keiner Seite der Baugruppe beim Aufbringen des Fügedruckes kritische, punktförmige Krafteinleitungen auftreten. Beide Seiten der Baugruppe werden von der nachgiebigen Struktur des Kissens entlang der Konturen umhüllt und auf diese Weise wird die Oberflächengestalt der gesamten Baugruppe konform eingeschlossen. Auf diese Weise wird eine allseitige, quasihydrostatische Aufbringung eines Fügedruckes erreicht, jedoch ohne die Notwendigkeit einer umhüllenden Flüssigkeit.
  • Das zu für die Druckkissen verwendete Material sollte ein hochvernetztes Polymer sein, z. B. Silikon. Die besondere Eigenschaft eines derartigen Kissens ist es, dass sich die beiden Kissenhälften (oberes und unteres Kissen) während der Phase von Druck- und Temperaturaufbringung hochelastisch konform spaltfrei berühren, sich dabei aber nicht chemisch verbinden. So ist am Ende des Prozesses eine einfache Trennung der beiden rückverformten Kissen möglich.
  • Während der Phase der Druckaufbringung werden die Elemente der Baugruppe durch die Kissen örtlich fixiert. Damit entfallen die metallischen Haltevorrichtungen und die zusätzlichen Wärmekapazitäten metallischer Vorrichtungen müssen nicht mehr mit zusätzlicher Heizenergie versorgt werden.
  • Die vollständige Umhüllung der zu fügenden Baugruppe durch die elastischen Druckkissen während der Heiz- und Abkühlphase und Fügedruckperiode verhindert zudem die Weiterleitung der Dehnungsdifferenzen von Heizflächen und Substratmaterialien, wodurch Scherspannungen vermieden werden. Eine Gefahr der Rissbildung in den Substraten oder Bauelemente besteht somit nicht mehr.
  • Die Einbringung der Prozesswärme erfolgt nun durch beidseitige Heizflächen und fließt von der Oberseitenheizfläche und der Unterseitenheizfläche durch die Druckkissen in die zu verbindende Baugruppe.
  • Die Erfindung wird anhand eines in der einzigen Zeichnung dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1. eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Niedertemperatur-Drucksintern elektrischer Bauelemente 8 auf ein Substrat 6 mit einem beheizbaren Oberstempel 1, 2, 3 und einem beheizbaren Unterstempel, wobei der Oberstempel 1, 2, 3 und der Unterstempel jeweils mindestens ein Druckkissen 4 aufweisen. Bevorzugt kann insbesondere vorgesehen sein, dass mehr als nur zwei Druckkissen an der konformen Umhüllung der zu fügenden Baugruppe beteiligt sind.
  • Die Druckkissen 4 können mehrteilig und mehrschichtig aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Elastizitäten und Härten ausgeführt sein (z. B. Silikone unterschiedlicher Shore-Härte). Dadurch entstehen gradierte Druckkissen 4, die sich den Oberflächenkonturen je nach Höhe der Kontur bzw. dem Aspektverhältnis von Höhen und Tiefen auf dem Substrat anpassen können.
  • Die Druckkissen 4 können dauernd auf Fügetemperatur gehalten werden. Dies bedeutet, dass die zu fügenden Baugruppen in die heiße Fügezone zwischen den Druckkissen 4 eingebracht werden.
  • Die Flächen der Druckkissen 4, die eine Berührung der Baugruppe mit sich bringen, können von einer temperaturbeständigen, plastisch verformbaren Schutzschicht belegt sein (z. B. Teflonfolie). Diese Teflonfolie kann sicherstellen, dass Kontaminierungen des Druckkissens 4 nicht die Oberfläche der Baugruppe geraten.
  • Die verformbare Schutzschicht ist austauschbar, damit stets unkontaminierte Flächen die Baugruppe berühren. Der Austausch führt auch zu einer nicht vortemperierten Schutzschicht, so dass ein Temperaturschock durch Berührung der kalten Baugruppe mit der vorgeheizten Druckkissenoberfläche unterbleibt.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung ein zwischen Oberstempel und Unterstempel verlaufendes doppellagiges Transportband 10 aufweist, wobei das Transportband 10 zur Aufnahme einer zu sinternden Baugruppe 8, 6 zwischen die Lagen des Transportbands 10 eingerichtet sind.
  • Besonders vorteilhaft ist es aus den oben genannten Gründen, wenn dieses Transportband 10 eine Beschichtung mit Teflon aufweist.
  • Zwischen den Lagen des Transportbandes 10 bzw. zwischen den Teflonschichten oder -folien sind auf der linken Seite eine einseitig bestückte Baugruppe und auf der rechten Seite eine beidseitig bestückte Baugruppe dargestellt. Diese weisen – wie bekannt – stromleitende Schichten 5, 7, einen Isolator 6, eine Verbindungsschicht 9 und ein elektrisches Bauelement, z. B. ein Halbleiterbauelement 8 auf.
  • Die Druckkissen 4 können allseitig von kammerartigen, jedoch trennbaren Begrenzungen umschlossen sein, so dass ein druckerzeugtes Ausdehnen und Verdrängen des Druckkissenmaterials verhindert wird. Die kammerartigen Begrenzungen können z. B. die beiden Halbschalen einer gefäßartigen Kammer sein (mit entsprechenden Heizelementen 3 wandbeheizte Unterwanne und wandbeheizte Oberwanne 2), jeweils belegt mit den jeweiligen Druckkissen 4. Durch das dichte Schließen der Halbschalen wird das Dehnungsvolumen der Druckkissen mechanisch begrenzt, so dass sich der quasi-hydrostatische Druckaufbau gleichmäßig im Volumen der Halbschalen aufbauen kann.
  • Die Halbschalen können unterschiedliche Formgebungen und Volumen haben. So ist es möglich, dass bei unsymmetrischer Bestückung der Substratoberflächen gleiche Verformungswege des Druckkissenmaterials entlang der Oberfläche der Baugruppe entstehen.
  • Der Aufbau des Fügedruckes kann beispielsweise dadurch gegen die Verformungsenergie der Druckkissen erfolgen, dass die Druckkissen konvex ausgeführt sind und das obere konvexe Kissen gegen das untere konvexe Kissen drückt.
  • Der Aufbau des Fügedruckes kann durch das Belasten eines Kolbens in das Volumen gegen die Verformungsenergie der Druckkissen erfolgen.
  • Der Aufbau des Fügedruckes kann ausschließlich oder ergänzend durch die Volumenausdehnung der Druckkissen durch Erwärmung bei konstantem Halbschalenvolumen erfolgen
  • Das Substrat, also der Bauelementeträger, kann überwiegend von planer bzw. flacher Gestalt sein (z. B. als Flachbaugruppe mit keramischer Leiterplatte).
  • Das Substrat kann 3-dimensionaler Gestalt sein und mehr als nur zwei Seiten zum Tragen von Bauelementen besitzen.
  • Das Substrat ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von Substraten bestehend aus Direct-Bonded-Copper (DBC), Insulated-Metal-Substrate (IMS), Kapton- und Keramiksubstrat.
  • Die Baugruppe kann aus mehreren Einzelteilen bzw. Substraten bestehen, wobei die Baugruppe Verbindungselemente zwischen diesen Substratteilen aufweisen kann.
  • Wenngleich sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für mehrseitig mit elektrischen Bauelementen bestückte Substrate eignet, können auch einseitig bestückte Substrate mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gesintert werden (vgl. die linke Seite der 1).
  • Das Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern elektrischer Bauelemente 8 auf ein Substrat 6 erfolgt nun so, dass zunächst die eine Seite des Substrats 6 mit wenigstens einem ersten elektrischen Bauelement 8 und darauf die der einen Seite gegenüberliegende Seite desselben Substrats mit wenigstens einem zweiten elektrischen Bauelement bestückt wird, und das Verbinden der elektrischen Bauelemente 8 mit dem Substrat 6 durch gleichzeitiges Anlegen eines auf die beiden Seiten des Substrats 6 wirkenden Fügedrucks mittels je eines auf jeweils eine Seite des Substrats 6 wirkenden, beheizten Druckkissens 4 vorgenommen wird.
  • Die Druckkissen 4 sind, wie zuvor bereits erwähnt, elastisch verformbar und umschließen die während des auf das Substrat 6 wirkenden Fügedrucks aus elektrischen Bauelementen 8 und Substrat 6 gebildete Baugruppe.
  • Mittels des an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeübten Verfahrens erhält man so eine elektronische Baugruppe bestehend aus einer Mehrzahl von mit einem Substrat 6 durch Niedertemperatur-Drucksintern verbundenen elektrischen Bauelementen 8, wobei die elektrischen Bauelemente 8 an zwei sich gegenüberliegenden Seiten desselben Substrats 6 angeordnet sind.
  • Die elektronische Baugruppe ist insbesondere eine leistungselektronische Baugruppe.
  • Durch die Erfindung ist es aufgrund verbesserter Kühlmöglichkeiten möglich, leistungselektronische Baugruppen mit einer erhöhten Produktlebenszeit zu schaffen. Die verbesserte Kühlmöglichkeit der leistungselektronischen Baugruppen ergibt sich speziell durch die beidseitige Anwendung eines Kühlmediums auf die Baugruppe; ein solches Kühlmedium kann ein Gas oder ein Fluid, wie etwa Wasser oder Öl, sein. Im Falle einer beidseitigen bzw. allseitigen Kühlung der Baugruppe durch das Kühlmedium ist es nämlich sehr vorteilhaft und ökonomisch, das Substrat der Baugruppe beidseitig zu bestücken, wie es zum Beispiel in der klassischen Leiterplattentechnik mit organischen Leiterplatten bereits üblich ist.
  • Die beidseitige Bestückung eines Substrats mit elektrischen Bauelementen mittels Niedertemperatur-Drucksintern kann jedoch nicht durch das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren mit einseitiger Erwärmung auf einer harten Heizfläche erfolgen, da beim gleichzeitigen Aufbringen des Fügedruckes auf der Heizseite punktförmige Krafteinleitungen in die dortigen Bauelemente eine Zerstörung der Bauelemente und der Baugruppe zur Folge hat.
  • Mittels der erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung mit beheizte Druckkissen aufweisenden Ober- und Unterstempeln kann die beidseitige Bestückung des Substrats und das Fügen durch Sintern jedoch problemlos erfolgen.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zum Niedertemperatur-Drucksintern elektrischer Bauelemente (8) auf ein Substrat (6) mit – einem beheizbaren Oberstempel (1, 2, 3) und – einem beheizbaren Unterstempel, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberstempel (1, 2, 3) und der Unterstempel jeweils mindestens ein Druckkissen (4) aufweisen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) aus einer Mehrzahl von Schichten unterschiedlicher Elastizität gebildet sind.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) aus einem hochvernetzten Polymer gebildet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) aus Silikon gebildet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) jeweils in einer beheizbaren, eine seitliche Ausdehnung des Druckkissens (4) begrenzenden Wanne (2) angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zwischen Oberstempel und Unterstempel verlaufendes doppellagiges Transportband (10), wobei das Transportband (10) zur Aufnahme einer zu sinternden Baugruppe (8, 6) zwischen die Lagen des Transportbands (10) eingerichtet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportband (10) eine Beschichtung mit Teflon aufweist.
  8. Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern elektrischer Bauelemente (8) auf ein Substrat (6), mit den Schritten: – Bestücken der einen Seite des Substrats (6) mit wenigstens einem ersten elektrischen Bauelement (8), – Bestücken der der einen Seite gegenüberliegenden Seite des Substrats (6) mit wenigstens einem zweiten elektrischen Bauelement (8), – Verbinden der elektrischen Bauelemente (8) mit dem Substrat (6) durch gleichzeitiges Anlegen eines auf die beiden Seiten des Substrats (6) wirkenden Fügedrucks mittels je eines auf jeweils eine Seite des Substrats (6) wirkenden, beheizten Druckkissens (4).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) elastisch verformbar sind.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) während des auf das Substrat (6) wirkenden Fügedrucks die aus elektrischen Bauelementen (8) und Substrat (6) gebildete Baugruppe umschließen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) aus einem hoch vernetzten Polymer gebildet sind.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkissen (4) aus Silikon gebildet sind.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe von Substraten bestehend aus Direct-Bonded-Copper (DBC), Insulated-Metal-Substrate (IMS), Kapton- und Keramiksubstrat.
  14. Elektronische Baugruppe bestehend aus einer Mehrzahl von mit einem Substrat (6) durch Niedertemperatur-Drucksintern verbundenen elektrischen Bauelementen (8), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Bauelemente (8) an zwei sich gegenüberliegenden Seiten desselben Substrats (6) angeordnet sind.
  15. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Baugruppe eine leistungselektronische Baugruppe ist.
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