DE102013101124A1

DE102013101124A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Sintern eines Sinterproduktes

Info

Publication number: DE102013101124A1
Application number: DE201310101124
Authority: DE
Inventors: Thomas Herz; Volker Liedke; Reiner Zoch; Markus Walter
Original assignee: Seho Systemtechnik GmbH
Current assignee: Seho Vermoegensverwaltungs & Co Kg De GmbH
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-07
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: DE102013101124B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sintern eines Sinterproduktes, das ein Bauelement und ein Substrat umfasst. Die Vorrichtung weist eine Presseinrichtung mit einem Presstisch und einem Pressstempel auf. Der Pressstempel ist mit einem Druckkörper versehen, der an eine Heizeinrichtung derart gekoppelt ist, dass sich der Druckkörper bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt. Hierdurch wird auf ein, sich zwischen dem Presstisch und dem Pressstempel befindliches Sinterprodukt ein Druck ausgeübt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird als Pressmittel eine Presswalzenanordnung vorgesehen, die geneigt zu einer Transportebene angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sintern eines Sinterproduktes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2005 058 794 A1 ist eine Vorrichtung und ein getaktetes Verfahren zum Drucksinterverbinden von chipförmigen Bauelementen mit Leiterbahnen eines Substrates bekannt. Diese Vorrichtung weist eine Pressvorrichtung, ein Transportband und eine weitere Vorrichtung zur Abdeckung des Substrates mit einer Schutzfolie auf. Die Pressvorrichtung ist für einen getakteten Betrieb geeignet und weist einen Pressstempel und einen beheizbaren Presstisch auf. Das Transportband ist ausreichend druckstabil und direkt oberhalb des Presstisches verlaufend angeordnet. Die Schutzfolie ist zwischen dem Substrat mit den hierauf angeordneten Bauelementen und dem Pressstempel vorgesehen. Während des getakteten Verfahrens wird die Oberseite des Substrats mit der Schutzfolie bedeckt und anschließend wird der Drucksintervorgang gestartet.
Das Befestigen von Halbleiterbauelementen, insbesondere Leistungshalbleitern, auf Substraten mittels des Drucksinterns bzw. Diffusionsschweißens ist beispielsweise aus der EP 330 896 A2 bzw. der US 5,058,796 bekannt. Hierin wird ein Druck von 900 N/cm² bzw. 500 kp/cm² bei Temperaturen von etwa 150 bis 250°C angegeben.
Die EP 242 626 B1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Drucksintern, bei welchen die Oberseite des Bauelementes des Sinterproduktes mit einer verformbaren Zwischenlage geschützt wird. Zusätzlich kann über diese Zwischenlage eine zweite Zwischenlage aus einem harten Werkstoff mit niedriger Wärmeausdehnung angeordnet sein. Diese zweite steife Zwischenlage gewährleistet dann, dass Wärmeausdehnungen des Pressstempels nicht auf das Bauelement bzw. dessen feine Strukturen übertragen werden. Als geeigneter Druck wird ein Druck von mindestens 1000 N/cm² und vorzugsweise mindestens 1500 N/cm² angegeben. Die Sintertemperatur soll im Bereich zwischen 180°C und 250°C liegen.
Aus der US 6,544,377 B1 geht eine Heiz- und Pressvorrichtung hervor, mit welcher elektronische Bauelemente mit einer Leiterplatte verbunden werden können. Hierbei werden die Bauelemente zur Vermeidung einer Verunreinigung bzw. Kontamination mit einem Band abgedeckt, das beispielsweise aus Polyimid oder Teflon ausgebildet ist.
Die DE 10 2004 019 567 B3 beschreibt ein weiteres Verfahren zum Befestigen von elektronischen Bauelementen auf einem Substrat mittels einer Sinterverbindung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sintern eines Sinterproduktes zu schaffen, mit dem einfach und kostengünstig der beim Drucksintern notwendige Druck und die beim Drucksintern notwendige Temperatur einstellbar sind.
Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Vorrichtungen und Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes umfassend ein Bauelement und ein Substrat ist aus einem Presstisch und einem Pressstempel ausgebildet.
Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Pressstempel einen Druckkörper aufweist, der an eine Heizeinrichtung derart gekoppelt ist, dass sich der Druckkörper bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt, so dass auf das zwischen dem Presstisch und dem Pressstempel befindliche Sinterprodukt ein Druck ausgeübt wird.
Dadurch, dass der Pressstempel erhitzt wird, dehnt sich der Druckkörper aus und erzeugt den zum Presssintern notwendigen Druck. Da der Pressstempel hierbei erhitzt wird, überträgt sich diese Wärme auf das Sinterprodukt. Der erfindungsgemäße Pressstempel kann somit nicht nur zur Ausübung des Druckes, sondern auch zum Übertragen von Wärme auf das Sinterprodukt verwendet werden.
Es hat sich gezeigt, dass beim Einstellen der beim Drucksintern üblichen Temperaturen von 150°C bis 280°C am Druckkörper eine Ausdehnung des Druckkörpers erzielt wird, mit welcher der zum Drucksintern notwendige Druck ausgeübt werden kann. In Abhängigkeit des Längenausdehnungskoeffizienten des für den Druckkörper verwendeten Materials ist der Druckkörper entsprechend zu dimensionieren. Die Länge des Druckkörpers beträgt typischerweise 5–30 cm, insbesondere 10–20 cm. Die Dimension des Druckkörpers ist auch im Hinblick auf den für die jeweiligen Sinterprodukte notwendigen Hub abzustimmen.
Der Druckkörper ist vorzugsweise aus einem Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten α bei 20°C von zumindest 15 × 10^–6/K und vorzugsweise zumindest 20 × 10^–6/K ausgebildet. Ein solches Material ist beispielsweise Stahl (1.4301 × 10^–6/K; α ≈ 16 × 10^–6/K), Aluminium (α ≈ 23 × 10^–6/K) oder Zink (α ≈ 36 × 10^–6/K).
Da mit dem erfindungsgemäßen Pressstempel sowohl der Druck auf das Sinterprodukt ausgeübt wird als auch Wärme auf das Sinterprodukt übertragen werden kann, können durch das Heizen des Druckkörpers beide wesentlichen Parameter (Druck, Temperatur) des Sinterprozesses eingestellt werden. Der mit dem erfindungsgemäßen Pressstempel ausgeübte Druck ist ausreichend groß, um das Sinterverfahren auszuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt somit keine aufwändige hydraulische oder pneumatische Presseinrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Die Heizeinrichtung kann als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet sein. Falls der Druckkörper aus einem elektrisch leitenden Material, wie zum Beispiel Stahl, Aluminium oder Zink ausgebildet ist, kann er mit einem derart starken Strom beaufschlagt werden, dass der Druckkörper selbst als Heizwiderstand fungiert. Hierzu ist es zweckmäßig, den Druckkörper langgestreckt, stabförmig auszubilden, um den Querschnitt gering zu halten. Der Strom wird mittels eines Transformators, der vorzugsweise unmittelbar benachbart zum Druckkörper angeordnet ist, dem Druckkörper zugeführt. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, dem Druckkörper den Strom induktiv einzukoppeln, da die zum schnellen Heizen eines Druckkörpers notwendigen großen Ströme nicht ohne Weiteres über herkömmliche Kabel geleitet werden können.
Es können jedoch auch andere Heizeinrichtungen, wie zum Beispiel elektrische Heizmantel an der Umfangsfläche des Druckkörpers oder Pelltier-Elemente verwendet werden. Pelltier-Elemente besitzen den Vorteil, dass sie sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen dienen. Ein schnelles Kühlen des Druckkörpers bewirkt einen schnellen Druckabbau und erlaubt kurze Taktzeiten zwischen aufeinander folgenden Drucksintervorgängen.
Der Druckkörper kann auch an andere Kühleinrichtungen, wie zum Beispiel Kühlrippen, insbesondere mit einem Luftgebläse kombiniert, oder eine Flüssigkeitskühlung, insbesondere Wasserkühlung, gekoppelt sein. Bei einer Flüssigkeitskühlung sind im Druckkörper vorzugsweise Kühlkanäle ausgebildet, durch welche das Kühlmedium, insbesondere Wasser, strömen kann.
Der Pressstempel kann mit einem Kraftaufnehmer versehen sein, um die vom Pressstempel ausgeübte Kraft zu erfassen. Ein solcher Kraftaufnehmer ist typischerweise ein definierter Körper, der mit Dehnungsmessstreifen versehen ist, so dass mit den Dehnungsmessstreifen die Verformung des Körpers erfasst werden kann und hieraus die ausgeübte Kraft abgeleitet werden kann. In Kenntnis der Größe der Pressfläche kann der Druck anhand der gemessenen Kraft bestimmt werden.
Die Vorrichtung kann mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Temperatur des Druckkörpers in Abhängigkeit vom Signal des Kraftaufnehmers ausgebildet sein. Hierbei wird die Temperatur des Druckkörpers nicht auf einen bestimmten Wert eingestellt, sondern in Abhängigkeit der gemessenen Kraft bzw. des gemessenen Druckes wird die Temperatur des Druckkörpers erhöht oder abgesenkt, um den gewünschten Pressdruck auszuüben.
Der Pressstempel weist vorzugsweise eine ortsfeste Halterung auf. Das heißt, dass der Pressvorgang alleine aufgrund der Längenänderung des Druckkörpers ausgeführt wird. An der zum Presstisch weisenden Seite ist am Pressstempel vorzugsweise ein Kontaktkörper vorgesehen, der den Druck auf das Sinterprodukt überträgt.
Der Pressstempel kann mehrere Druckkörper umfassen. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn die einzelnen Druckkörper dünne, langgestreckte Stangen sind. Die Druckkörper erstrecken sich zwischen dem Kontaktkörper, der beispielsweise aus einer steifen Platte ausgebildet ist, und der Halterung. Der Kontaktkörper besteht damit vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, so dass die Wärme der Druckkörper auf das Sinterprodukt übertragen werden kann. Am Kontaktkörper kann eine zusätzliche Heizeinrichtung vorgesehen sein.
Der Pressstempel kann an seiner zum Presstisch weisenden Seite einen austauschbaren Höhenausgleichskörper aufweisen. Baugruppen können unterschiedliche Bauelemente mit unterschiedlichen Höhen aufweisen. Der Pressstempel weist zusätzlich eine ebenflächige, zum Presstisch weisende Pressfläche auf. Bei solchen Baugruppen, bei welchen die Bauelemente unterschiedlich weit nach oben vorstehen, würde mit einer ebenflächigen Pressfläche lediglich das am weitesten nach oben vorstehende Bauelement mit dem gewünschten Druck beaufschlagt werden. Durch das Vorsehen des Höhenausgleichskörpers können mehrere unterschiedlich hohe Bauelemente gleichzeitig mit dem gewünschten Druck beaufschlagt werden, so dass mehrere Bauelemente gleichzeitig dem Drucksinterprozess unterzogen werden können. Der Höhenausgleichskörper ist somit spezifisch für eine bestimmte Baugruppe. Deshalb ist es zweckmäßig, den Höhenausgleichskörper austauschbar am Pressstempel anzuordnen.
Die Vorrichtung kann mit einer Einrichtung zum Einbringen einer Trennfolie zwischen dem Pressstempel und dem Sinterprodukt vorgesehen sein. Die Trennfolie kann, wie es aus der US 6,544,377 B1 bekannt ist, zum Vermeiden von Verunreinigungen am Pressstempel vorgesehen werden. Eine solche Trennfolie ist beispielsweise aus Polyimid, PTFE, TFE, Aluminiumfolie oder aus Keramikpapier ausgebildet. Ein solches Keramikpapier ist aus Keramikfasern ausgebildet. Die Einrichtung zum Einbringen der Trennfolie umfasst eine Abroll- und eine Aufrollspule und eine entsprechende Antriebseinrichtung, so dass eine bandförmig ausgebildete Trennfolie automatisch abschnittsweise intermittierend in den Zwischenbereich zwischen dem Pressstempel und dem Presstisch eingebracht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Trennfolie zum gleichmäßigen Verteilen des Pressdruckes ausgebildet sein, wie es beispielsweise aus der JP 2004 296 746 A bekannt ist. Hierzu ist die Trennfolie mit einer gewissen Dicke aus einem verformbaren Material auszubilden, so dass der Pressdruck gleichmäßig auf die Oberfläche des Sinterproduktes verteilt wird. Eine solche Trennfolie weist beispielsweise eine weiche Fluidschicht oder eine weiche poröse Schicht auf, die auf einem stabilen, insbesondere folienartigen, Band aufgetragen sind.
Die Vorrichtung kann eine Fördereinrichtung zum automatischen Befördern der Sinterprodukte aufweisen. Diese Fördereinrichtung ist beispielsweise eine Gliederkette, ein Edelstahlband oder ein Lineartaktsystem. Die Gliederkette und das Lineartaktsystem können Rahmen aufweisen, in welchen die Sinterprodukte gehalten werden. Die Gliederkette und das Lineartaktsystem können jedoch auch aufheizbare Plattenelemente aufweisen, auf welchen die Sinterprodukte auflegbar und positionierbar sind. Diese Plattenelemente sind beispielsweise Metallplatten mit einer wesentlich höheren Wärmekapazität als die Sinterprodukte. Dies ist beispielsweise in einer mehrstufigen Vorrichtung zum Sintern von Sinterprodukten sinnvoll, in welcher zunächst die Sinterprodukte vorgeheizt werden, bevor sie einer den Pressstempel und den Presstisch umfassenden Pressstation zugeführt werden. Das Vorheizen erfolgt beispielsweise mit einer Konvektionsheizung und/oder Infrarotheizung, wie es von Reflow-Lötanlagen bekannt ist (siehe zum Beispiel DE 102 26 593 A1 ). Die Platten der Fördereinrichtung nehmen die Wärme auf und temperieren das Sinterprodukt im gewünschten Temperaturbereich. Die Platten können auch zusätzlich geheizt werden (indirektes Heizen), wobei hier insbesondere eine Induktionsheizung zweckmäßig sein kann, wobei eine Induktionsstation entgegen der Förderrichtung im Bereich vor der Pressstation angeordnet ist, so dass die bereits korrekt temperierten Sinterprodukte der Pressstation zugeführt werden.
Eine alternative Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes mit einem Bauelement und einem Substrat umfasst einen beheizbaren Werkstückträger, eine Fördereinrichtung zum Befördern des Werkstückträgers, und eine Presswalzenanordnung, welche mehrere in einer Ebene angeordnete Presswalzen aufweist, wobei die Presswalzenanordnung mit in Förderrichtung sich verringerndem Abstand zur Transportebene angeordnet ist, so dass beim Transport in Förderrichtung auf ein auf dem Werkzeugträger befindliches Sinterprodukt ein Druck ausgeübt wird.
Mit einer solchen Presswalzenanordnung können eine Vielzahl von Sinterprodukten innerhalb kurzer Zeit gesintert werden.
Vorzugsweise ist die Presswalzenanordnung schwenkbar gelagert, so dass nach Beendigung des Sintervorganges die Ineingriffnahme mit dem Sinterprodukt gelöst werden kann und dieses für den Weitertransport in Förderrichtung freigegeben werden kann.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die Presswalzenanordnung mit einem Kraftaufnehmer zu koppeln, so dass der von der Presswalzenanordnung auf das Sinterprodukt ausgeübte Druck erfasst werden kann.
Die Beheizung des Werkstückträgers erfolgt vorzugsweise gleichermaßen wie bei den oben erläuterten beheizbaren Platten der Fördereinrichtung induktiv.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, einen Höhenausgleichskörper, insbesondere einen Fluid gefüllten Höhenausgleichskörper, vorzusehen, so dass der von der Presswalzenanordnung ausgeübte Druck gleichmäßig auf das oder die Bauelemente übertragen wird. Ein geeignetes Fluid ist beispielsweise Silikon. Der Höhenausgleichskörper kann auch aus einem Graphitverbundwerkstoff oder Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein. Derartige Werkstoffe können eine gewisse Elastizität aufweisen, die einen Formausgleich ermöglicht, sodass der Druck gleichmäßig auf die Bauelemente übertragen wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Sintern eines Sinterproduktes wird der zum Sintern notwendige Druck mit einer der oben erläuterten Vorrichtung ausgeübt.
Vorzugsweise wird das Sinterprodukt vor dem Pressen mit einer Konvektionsheizung und/oder einer Infrarotheizung und/oder einer induktiven Heizung erhitzt. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn das Sinterprodukt auf einer Platte bzw. einem Werkstückträger angeordnet ist, der eine größere Wärmekapazität als das Sinterprodukt aufweist. Hierdurch wird das Sinterprodukt auch nach dem Heizvorgang durch die in der Platte gespeicherte Wärme korrekt temperiert.
Die Erfindung wird beispielhaft näher anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch vereinfacht in:
1 eine Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes mit einem thermisch aktivierbaren Pressstempel,
2 eine Vorrichtung mit einem thermisch aktivierbaren Pressstempel und einer Zusatzheizung in einer Schnittdarstellung,
3 eine Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes mit einem thermisch aktivierbaren Pressstempel mit mehreren Druckkörpern in einer Schnittdarstellung,
4 eine Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes mit einer Presswalzenanordnung schematisch vereinfacht in einer Schnittdarstellung,
5 einen Werkstückträger für die Vorrichtung aus 4,
6 eine Weiterbildung der Vorrichtung nach 4 mit an einen Kraftaufnehmer gekoppelten Presswalzenanordnung in einer Schnittdarstellung,
7 eine Anlage zum Sintern eines Sinterproduktes mit einem Vorheizbereich, einer Chip-Montage, einem weiteren Vorheizbereich, einer Pressstation und einem Kühlbereich,
8 eine Fördereinrichtung für die Vorrichtung nach 7 schematisch vereinfacht in der Draufsicht, und
9 eine Abwandlung der Fördereinrichtung nach 8 schematisch vereinfacht in der Draufsicht.
1 zeigt schematisch grob vereinfacht in einer Schnittdarstellung eine Vorrichtung 1 zum Sintern eines Sinterproduktes 2, das zumindest ein Bauelement und ein Substrat umfasst. Auf einem Substrat können auch mehrere Bauelemente vorgesehen sein, die jeweils mit einer Sinterverbindung mit dem Substrat verbunden werden. Insbesondere werden die Bauelemente elektrisch leitend mit Leiterbahnen des Substrats verbunden. Das Substrat ist insbesondere ein keramisches Substrat.
Diese Vorrichtung 1 weist einen Pressstempel 3 und einen Presstisch 4 auf, wobei der Pressstempel 3 mit einer Pressfläche 5 zum Presstisch 4 weisend angeordnet ist, um so ein zwischen der Pressfläche 5 und dem Presstisch 4 befindliches Sinterprodukt 2 mit dem zum Sintern erforderlichen Druck beaufschlagen zu können. Die Vorrichtung 1 kann somit auch als Sinterpresse bezeichnet werden.
Diese Sinterpresse 1 weist im Pressstempel 3 einen Druckkörper 6 auf, der aus einem Material ausgebildet ist, das sich bei Temperaturerhöhung ausdehnt. Der Druckkörper des vorliegenden Ausführungsbeispiels besteht aus Stahl des Typs 1.4301. Dieser Stahl weist einen Längenausdehnungskoeffizienten α von 16 × 10^–6/K auf. Der Längenausdehnungskoeffizient α des Druckkörpers beträgt vorzugsweise zumindest 10 × 10^–6/K, insbesondere zumindest 12 × 10^–6/K und vorzugsweise zumindest 15 × 10^–6/K bzw. 20 × 10^–6/K. Weitere geeignete Materialien sind zum Beispiel Aluminium (α = 23 × 10^–6/K) bzw. Zink (α = 36 × 10^–6/K) bzw. Legierungen mit diesen Materialien oder Hochleistungskunststoffe, wie z.B. PEE.
Der Druckkörper 6 ist als stabförmiger Körper ausgebildet. Er weist an seinen beiden Endbereichen jeweils ein Kontaktelement 7 auf, die jeweils mit einem Ausgang einer Sekundärseite eines Transformators 8 verbunden sind, so dass der Druckkörper 6 mit einem starken Strom beaufschlagt werden kann. An dem zur Pressfläche 5 gegenüberliegenden Ende ist der Druckkörper 6 mit einem steifen Isolationskörper 9 verbunden. Der Isolationskörper besteht beispielsweise aus einem Hochtemperaturisoliermaterial, wie es zum Beispiel von der Firma DOTHERM GmbH & Co.KG, Dortmund, Deutschland unter der Handelsbezeichnung DOTHERM 600 erhältlich ist. Der Isolationskörper 9 ist mit seiner vom Druckkörper 6 wegweisenden Seite mit einem Kraftaufnehmer 10 verbunden. Der Kraftaufnehmer 10 ist an einer Halterung 11 befestigt. Der Isolationskörper 9 dient zur elektrischen und thermischen Isolierung des Druckkörpers 6 von dem Kraftaufnehmer 10 und der Halterung 11. Die Halterung 11 ist Bestandteil eines steifen und starren Gerüstes, das hohe Kräfte aufnehmen kann.
Die Halterung 11 ist automatisch in der Höhe einstell- und verriegelbar. Hierdurch kann der Pressstemel 3 in unterschiedliche Positionen bezüglich des Presstisches 4 angeordnet werden und auf die Höhe eines zu bearbeitenden Sinterproduktes 2 angepasst werden.
Die Primärseite des Transformators 8 ist mit einer Steuereinrichtung 12 verbunden, welche einen Heizstrom in die Primärseite des Transformators 8 einspeist. Die Steuereinrichtung 12 ist auch mit dem Kraftaufnehmer 10 verbunden, so dass an der Steuereinrichtung 12 ein Signal anliegt, das die vom Pressstempel 3 ausgeübte Kraft beschreibt.
Der Druckkörper 6 weist einen Kühlkanal 13 auf, durch den mittels einer Kühleinrichtung (nicht dargestellt) gekühltes Kühlmedium geströmt werden kann. Die Kühleinrichtung und die entsprechende Strömungseinrichtung sind auch mit der Steuereinrichtung 12 verbunden.
An der Pressfläche 5 des Pressstempels 3 liegt eine Trennfolie 14 an, welche von einer Zuführwalze 15 abgezogen und einer Aufnahmewalze 16 aufgenommen wird. Die Trennfolie 14 ist zwischen den beiden Walzen 15, 16 gespannt. Die Walzen werden mittels eines Elektromotors automatisch betätigt. Der Elektromotor wird von der Steuereinrichtung 12 derart gesteuert, dass bei einem jeden Sintervorgang ein noch nicht benutzter Abschnitt der Trennfolie angrenzend an der Pressfläche 5 angeordnet ist. Die Trennfolie kann unter anderem aus PTFE, TFE, Polyimid, mit Keramikpapier oder Aluminiumfolie ausgebildet sein und zusätzlich mit einer druckverteilenden Schicht beschichtet sein. Eine solche Trennfolie aus TFE ist beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Trennfolie FM 52130 von der Firma Dr. D. Müller GmbH, Ahlhorn, Deutschland erhältlich.
Auf der Oberseite des Presstisches 4 ist eine Fördereinrichtung 17 zum Befördern der Sinterprodukte vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fördereinrichtung 17 ein Stahlband, das um Antriebswalzen 18, 19 geführt wird.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Sintern eines Sinterproduktes mit der in 1 gezeigten Vorrichtung erläutert.
Ein Sinterprodukt 2 wird auf der Fördereinrichtung 17 in Förderrichtung 20 zur Sinterpresse 1 befördert. Wenn sich dieses Sinterprodukt 2 im Bereich zwischen dem Presstisch 4 und dem Pressstempel 3 befindet, dann wird die Fördereinrichtung 17 angehalten, so dass das Sinterprodukt zwischen dem Presstisch 4 und dem Pressstempel 3 platziert ist. Die Halterung wird zusammen mit dem Pressstempel 3 abgesenkt, bis der Pressstempel auf dem Sinterprodukt 2 aufliegt. In dieser Position wird die Halterung verriegelt.
Die Steuereinrichtung 12 legt an die Primärspule des Transformators 8 einen Heizstrom an. Dieser wird vom Transformator 8 an eine Sekundärspule mit hoher Stromstärke und geringer Spannung ausgegeben und in den Druckkörper 6 eingespeist. Hierdurch wird der Druckkörper 6 erhitzt und er dehnt sich aus. Der Druckkörper drückt die Pressfläche 5 gegen das Sinterprodukt 2, wobei zwischen dem Sinterprodukt 2 und der Pressfläche 5 ein Stück der Trennfolie 14 angeordnet ist. Der Pressstempel 3 erhitzt zudem das bereits vorerhitzte Sinterprodukt 2, so dass die zum Sintern notwendigen Parameter (Druck und Temperatur) am Sinterprodukt 2 vorliegen. Während des Sintervorganges wird die vom Pressstempel 3 ausgeübte Kraft mittels des Kraftaufnehmers 2 erfasst und die Steuereinrichtung 12 stellt den Heizstrom derart ein, dass die zum Erzeugen des gewünschten Druckes notwendige Kraft vom Pressstempel 3 ausgeübt wird.
Nach dem Sintervorgang wird der Druckkörper 6 des Pressstempels 3 mittels der Kühleinrichtung abgekühlt, indem kaltes Wasser durch den Kühlkanal 13 geleitet wird. Da der Druckkörper 6 auf eine Temperatur von etwa 150°C bis 280°C erhitzt war, stellt Wasser mit Raumtemperatur bezüglich des Druckkörpers 6 ein Kühlmedium dar. Der Druckkörper 6 zieht sich zusammen, wodurch der Druck des Pressstempels 3 abgebaut wird. Die Halterung 11 wird gelöst, wodurch das Sinterprodukt 2 freigesetzt wird. Die Fördereinrichtung 17 befördert das bereits gesinterte Sinterprodukt in Förderrichtung 20 ab und führt gleichzeitig ein weiteres, zu sinterndes Sinterprodukt 2 zur Sinterpresse 1 zu.
Nach dem Durchführen eines jeden Sintervorganges wird die Trennfolie 14 ein Stück in Förderrichtung weiterbewegt, so dass ein unbenutzter Abschnitt von Trennfolie an der Pressfläche 5 anliegt.
2 zeigt eine Abwandlung der Sinterpresse 1 aus 1, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Diese Teile werden deshalb nicht nochmals erläutert. Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der Sinterpresse 1 gemäß 1 dadurch, dass an dem zum Presstisch 4 weisenden Ende des Pressstempels 3 eine thermische Isolationsschicht 21 und darunter eine Heizschicht 22 angeordnet sind. Die Pressfläche 5 wird bei diesem Pressstempel 3 durch die Heizschicht 22 ausgebildet.
Die Temperatur der Pressfläche 5 dieses Pressstempels 3 ist somit von der Temperatur des Druckkörpers 6 entkoppelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Druckkörper 6 alleine zum Erzeugen des Sinterdruckes eingesetzt. Eine solche Entkopplung von Druck und Temperatur ist dann zweckmäßig, wenn die Temperatur des Druckkörpers 6 nicht zu der Anforderung des Sinterprozesses passt.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, im Presstisch 4 eine Heizeinrichtung vorzusehen, die zusätzlich oder alternativ zur Heizfunktion des Pressstempels 3 vorgesehen sein kann.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pressstempels 3, der einen Kontaktkörper 23 in Form einer steifen Platte aufweist, auf dem mehrere Druckkörper 6/1, 6/2 vorgesehen sind. Die Druckkörper 6/1, 6/2 sind bezüglich des Heizstroms in Reihe geschaltet, so dass durch die Druckkörper 6/1 und 6/2 der gleiche Heizstrom fließt. Lediglich an einem der Druckkörper 6/2 ist ein Kraftaufnahmeelement 10 angeordnet, das die ausgeübte Kraft misst. Da alle Druckkörper mit dem gleichen Heizstrom beaufschlagt werden, üben sie die gleiche Kraft aus, so dass die an dem einen Druckkörper gemessene Kraft lediglich mit der Anzahl der Druckkörper multipliziert werden muss, um die Gesamtkraft zu erhalten, die mit dem Pressstempel 3 ausgeübt wird. Der Kontaktkörper 23 ist mit einer thermischen Isolationsschicht 24 von den Druckkörpern 6/1, 6/2 isoliert. Auf der zum Presstisch hin weisenden Seite ist am Kontaktkörper 23 eine weitere thermische Isolationsschicht 25 vollflächig vorgesehen. Auf dieser thermischen Isolationsschicht sind mehrere Heizeinrichtungen 26 angeordnet, die mit einem Heizstrom beaufschlagt werden, der unabhängig ist von dem Heizstrom zum Beaufschlagen der Druckkörper 6. Die Heizeinrichtungen 26 sind jeweils einem Bauelement 27 zugeordnet. Dieses Sinterprodukt 2 weist ein Sintersubstrat 28 und mehrere Bauelemente 27 auf. Mit einem solchen Pressstempel 3 können gleichzeitig mehrere Bauelemente eines Sinterproduktes 2 mittels jeweils einer Sinterverbindung mit dem Substrat 28 verbunden werden.
3 zeigt schematisch vereinfacht den Pressstempel 3 mit lediglich zwei Druckkörpern 6/1, 6/2. Es ist zweckmäßig, dass zumindest drei oder mehrere Druckkörper vorgesehen sind, so dass der Kontaktkörper 23 gleichmäßig über die gesamte Fläche gegen ein Sinterprodukt 2 gedrückt werden kann.
Beim gleichzeitigen Sintern von mehreren Bauelementen oder gleichzeitigen Sintern mehrerer Sinterprodukte kann es zweckmäßig sein, an der zum Presstisch 4 weisenden Seite des Pressstempels 3 einen Höhenausgleichskörper (nicht dargestellt) vorzusehen. Besitzen die einzelnen Bauelemente eine unterschiedliche Höhe, so ist der Höhenausgleichskörper derart angepasst, dass die ebene Pressfläche des Pressstempels an die unterschiedlichen Höhen der Bauelemente angepasst wird. Dieser Höhenausgleichskörper ist vorzugsweise austauschbar am Pressstempel vorgesehen, so dass unterschiedliche Typen von Sinterprodukten mit dem gleichen Pressstempel verpresst werden können, wobei lediglich der Höhenausgleichskörper auszutauschen ist.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, einen Höhenausgleichskörper mit einem inkompressiblen Fluid vorzusehen, wobei das inkompressible Fluid in Kammern im Höhenausgleichskörper angeordnet ist. Hierdurch können kleine Unebenheiten an den Bauelementen ausgeglichen werden, so dass über die gesamte Fläche des jeweiligen Bauelementes oder über mehrere Bauelemente der gleiche Druck ausgeübt wird. Ein geeignetes Fluid ist beispielsweise Silikon.
Die 4 bis 6 zeigen eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes 2. Diese Vorrichtung weist einen Werkstückträger 29 (5) auf, der auf einer Fördereinrichtung 30 in Förderrichtung 31 befördert wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fördereinrichtung 30 als stabile Walzenanordnung mit einer Vielzahl frei drehbarer, zueinander parallel angeordneter Walzen 32 und Mitnehmern 33 ausgebildet. Die Mitnehmer 33 werden in Förderrichtung 31 im Bereich oberhalb der Walzen 32, die eine Transportebene definieren, in Förderrichtung 31 bewegt. Die Mitnehmer 33 schieben jeweils einen Werkzeugträger 29 auf der Transportebene in Förderrichtung 31. Alternativ zu den Mitnehmern 33 kann es auch vorgesehen sein, den Werkstückträger 29 mittels eines Zahnantriebs, insbesondere im Bereich der Transportebene angeordneter Zahnräder, zu befördern, die in eine entsprechende Zahnung an der Unterseite des Werkstückträgers eingreifen.
Oberhalb der Transportebene ist eine Presswalzenanordnung 34 mit mehreren, parallel in einer Ebene angeordneten und frei drehenden Walzen 35 vorgesehen. Die Presswalzenanordnung 34 ist mit in Förderrichtung 31 sich verringerndem Abstand zur Transportebene angeordnet (4, 6).
Der Werkstückträger 29 weist eine beheizbare Basisplatte 36 auf. Die Basisplatte 36 kann mittels eines induktiven Heizelementes 37 (4) erhitzt werden, wenn der Werkzeugträger 29 auf der Fördereinrichtung 31 im Bereich des induktiven Heizelementes 37 befördert wird. Die beheizbare Basisplatte 36 kann auch mit elektrischen Heizleitungen versehen sein. Diese werden entweder über Schleifkontakte oder mittels einer automatisch ein- und ausstellbaren Steckverbindung mit Strom versorgt.
Der Werkzeugträger 29 weist einen Rahmen 38 auf, der zumindest die Basisplatte 36 umlaufend umfasst. Auf dem Rahmen 38 ist ein Deckel 39 angeordnet. Der Deckel 39 umfasst einen starren keilförmigen Keil und vorzugsweise einen aus einem inkompressiblen Fluidmaterial ausgebildeten Körper, insbesondere Silikon, so dass sich der Fluidkörper verformen kann und sich an ein unterhalb des Deckels befindliches Sinterprodukt 2 anpassen kann. Der an der Oberseite des Deckels 39 vorgesehene Keil wird beim Bewegen des Werkzeugträgers in Förderrichtung 31 entlang der Presswalzenanordnung 34 von der Presswalzenanordnung 34 beaufschlagt und überträgt einen Druck über den Silikonkörper auf das Sinterprodukt 2 ab, das aus dem Bauelement 27 und dem Substrat 28 besteht.
Die Presswalzenanordnung 34 ist mit ihrem in Förderrichtung 31 rückwärtigen Ende schwenkbar gelagert. An dem in Förderrichtung 31 vorderen Ende der Presswalzenanordnung 34 ist eine Höhenstelleinrichtung 40 vorgesehen, mit welcher das in Fördereinrichtung 31 vordere Ende der Presswalzenanordnung 34 in der Höhe verstellbar ist. Weiterhin ist das in Fördereinrichtung 31 vordere Ende der Presswalzenanordnung 34 mit einem Kraftaufnehmer 41 gekoppelt, so dass die von der Presswalzenanordnung 34 auf den Aufzeichnungsträger ausgeübte Kraft detektiert werden kann.
Die Höheneinstelleinrichtung 40 ist vorzugweise lösbar an der Presswalzenanordnung 34 ausgebildet, so dass sie nach dem Lösen die Presswalzenanordnung mit ihrem vorderen Ende frei nach oben schwenken kann und ein zwischen der Presswalzenanordnung 34 und der Fördereinrichtung 30 befindliche Werkzeugträger 29 freigegeben wird.
Wird mit dem Kraftaufnehmer 41 festgestellt, dass der gewünschte Druck über eine gewünschte Zeitdauer am Werkstückträger 29 angelegen hat, dann wird die Höheneinstelleinrichtung 40 gelöst, womit der Werkstückträger 29 für den Weitertransport mittels der Fördereinrichtung 30 freigegeben ist.
7 zeigt schematisch grob vereinfacht eine Anlage bzw. ein System mit einer erfindungsgemäßen Sinterpresse 1. Diese Anlage weist einen ersten Vorheizbereich 42, eine Chip-Montage 43, einen zweiten Vorheizbereich 44, die Sinterpresse 1 und einen Abkühlbereich 45 auf. Durch den ersten Vorheizbereich 42, die Chip-Montage 43, den zweiten Vorheizbereich 44 und den Abkühlbereich 45 erstreckt sich eine Fördereinrichtung, die auch abschnittsweise ausgebildet sein kann, so dass in unterschiedlichen Bereichen die einzelnen Produkte unterschiedlich schnell befördert werden können.
Der erste Vorheizbereich 42 weist vorzugsweise eine Infrarotheizung und/oder Konvektionsheizung auf, um die Substrate der Sinterprodukte von einer Raumtemperatur auf etwa 150°C zu erwärmen. Hierfür verweilen die Substrate im ersten Vorheizbereich ca. 10 bis 20 Minuten. In der darauffolgenden Chip-Montage 43 werden die Bauelemente bzw. Chips auf die Substrate gesetzt. Danach werden die noch nicht gesinterten Sinterprodukte 2 dem zweiten Vorheizbereich 44 zugeführt. Im zweiten Vorheizbereich sind vorzugsweise eine Konventionsheizung und/oder eine Induktionsheizung vorgesehen. Im zweiten Vorheizbereich werden die noch nicht gesinterten Sinterprodukte auf eine Temperatur von bis zu 280°C erhitzt. Die Heizrate beträgt hierbei etwa 2 K/s.
In der Sinterpresse 1 werden die heißen Sinterprodukte 2 gepresst. Die Sinterpresse 1 ist gemäß einem der oben erläuterten Ausführungsformen ausgebildet. Mit der Sinterpresse wird bei einer Temperatur von etwa 150°C bis 280°C ein Druck von etwa 25 bis 35 MPa über eine Zeitdauer von 2 bis 4 Minuten erzeugt.
Danach werden die gesinterten Sinterprodukte 2 durch den Abkühlbereich 45 gefördert, in dem die Temperatur der Sinterprodukte von etwa 280°C auf 60°C mit einer Kühlrate von 6 K/s abgekühlt werden. Der Kühlvorgang erfolgt durch gesteuertes Zuführen von vorgewärmter Luft, deren Temperatur in Förderrichtung herabgesetzt wird. Hierdurch wird vermieden, dass die Sinterprodukte 2 nach dem Sintervorgang abgeschreckt werden.
8 zeigt in einer Draufsicht schematisch grob vereinfacht die Fördereinrichtung der Anlage aus 7. Im ersten Vorheizbereich werden die Substrate mit einem Kettenförderer befördert, wie er von Reflow-Lötanlagen bekannt ist. Im Bereich der Chip-Montage 43 ist ein Bandförderer vorgesehen. Der zweite Vorheizbereich, die Sinterpresse 1 und der Abkühlbereich 45 werden mit einem Lineartaktsystem bedient. Ein solches Lineartaktsystem weist eine Vielzahl von Rahmen auf, die an eine Endlosfördereinrichtung gekoppelt sind. Die Rahmen werden einzeln entlang der Endlosfördereinrichtung bewegt. Die Endlosfördereinrichtungen können Spindeln oder Schnecken sein. Vorzugsweise ist die Endlosfördereinrichtung so ausgebildet, dass die einzelnen Rahmen unabhängig voneinander bewegt bzw. angehalten werden. Die Rahmen können ohne Boden vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, die Rahmen mit einem Boden, insbesondere in Form einer beheizbaren Platte vorzusehen, die längs des Förderweges im zweiten Vorheizbereich 44 erhitzt wird.
9 zeigt eine zur Fördereinrichtung der 8 ähnliche Fördereinrichtung, wobei lediglich das Lineartaktsystem hier kreisförmig ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung/Sinterpresse
2: Sinterprodukt
3: Pressstempel
4: Presstisch
5: Pressfläche
6: Druckkörper
7: Kontaktelement
8: Transformator
9: Isolationskörper
10: Kraftaufnehmer
11: Halterung
12: Steuereinrichtung
13: Kühlkanal
14: Trennfolie
15: Zuführwalze
16: Aufnahmewalze
17: Fördereinrichtung
18: Antriebswalze
19: Antriebswalze
20: Förderrichtung
21: Thermische Isolationsschicht
22: Heizschicht
23: Kontaktkörper
24: Thermische Isolationsschicht
25: Thermische Isolationsschicht
26: Heizeinrichtung
27: Bauelement
28: Substrat
29: Werkstückträger
30: Fördereinrichtung
31: Förderrichtung
32: Walze
33: Mitnehmer
34: Presswalzenanordnung
35: Walze
36: Basisplatte
37: Induktives Heizelement
38: Rahmen
39: Deckel
40: Höheneinstelleinrichtung
41: Kraftaufnehmer
42: Erster Vorheizbereich
43: Chip-Montage
44: Zweiter Vorheizbereich
45: Abkühlbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005058794 A1 [0002]
EP 330896 A2 [0003]
US 5058796 [0003]
EP 242626 B1 [0004]
US 6544377 B1 [0005, 0023]
DE 102004019567 B3 [0006]
JP 2004296746 A [0023]
DE 10226593 A1 [0024]

Claims

Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes (2) umfassend ein Bauelement (27) und ein Substrat (28) mit einer Presseinrichtung umfassend einen Presstisch (4) und einen Pressstempel (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Pressstempel (3) einen Druckkörper (6) aufweist, der an eine Heizeinrichtung (7, 8) derart gekoppelt ist, dass sich der Druckkörper (6) bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt, so dass auf das zwischen dem Presstisch (4) und dem Pressstempel (3) befindliche Sinterprodukt (2) ein Druck ausgeübt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (6) aus einem Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten (α) bei 20° C von zumindest 10 × 10^–6/K bzw. 15 × 10^–6/K und vorzugsweise zumindest 20 × 10^–6/K ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (6) an eine Kühleinrichtung (13) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Presstempel (3) einen Kraftaufnehmer (10) aufweist, um die vom Presstempel (3) ausgeübte Kraft zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (12) zum Steuern der Temperatur des Druckkörpers (6) in Abhängigkeit vom Signal des Kraftaufnehmers (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressstempel (3) eine ortsfeste Halterung (11) und einen Kontaktkörper (23) umfasst, wobei der Kontaktkörper (23) in Richtung zum Presstisch (4) weist und der Druckkörper (6) zwischen der Halterung (11) und dem Kontaktkörper (23) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressstempel (3) mehrere Druckkörper (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressstempel (3) an seiner zum Presstisch (4) weisenden Seite einen austauschbare Höhenausgleichskörper aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (15, 16) zum Einbringen einer Trennfolie (14) zwischen dem Pressstempel (3) und dem Sinterprodukt (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (14) aus PTFE, TFE, Aluminiumfolie oder einem Keramikpapier ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung (17) zum automatischen Befördern der Sinterprodukte (2) vorgesehen ist, die bspw. eine Gliederkette, eine Edelstahlband oder ein Lineartaktsystem ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Presstisch (4) mit einer Heizeinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Sintern eines Sinterproduktes mit einem Bauelement und einem Substrat, umfassend einen beheizbaren Werkstückträger (29), einer Fördereinrichtung (30) zum Befördern des Werkstückträgers (29), und eine Presswalzenanordnung (34), welche mehrere in einer Ebene angeordnete Presswalzen (35) umfasst, wobei die Presswalzenanordnung (34) mit in Förderrichtung (31) sich verringerndem Abstand zur Transportebene angeordnet ist, so dass beim Transport in Förderrichtung (31) auf ein auf dem Werkstückträger (29) befindlichem Sinterprodukt (2) ein Druck ausgeübt wird.
Verfahren zum Sintern eines Sinterproduktes mit einem Bauelement (27) und einem Substrat (28), wobei der zum Sintern notwendige Druck mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auf das Sinterprodukt (2) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterprodukt (2) vor dem Pressen mit einer Konvektionsheizung, einer Infrarotheizung und/oder einer induktiven Heizung direkt oder indirekt erhitzt wird, wobei das Sinterprodukt vorzugsweise auf einer Platte angeordnet ist, die eine größere Wärmekapazität als das Sinterprodukt aufweist.