DE102014114093A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Niedertemperatur-Drucksintern - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern, mit den Schritten: Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperatur-Drucksintern zur Vermeidung der Oxidation des elektronischen Bauelements oder der Leiterbahn in einer sauerstoffarmen Atmosphäre mit einem relativen Sauerstoffgehalt von 0,005 bis 0,3 % durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern, mit den Schritten: Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, und Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs.
  • Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2008 009 510 B3 bekannt.
  • Grundsätzlicher Nachteil am Niedertemperatur-Drucksintern ist, dass das Aufheizen der zu fügenden Bauelemente und Schaltungsträger nicht nur die Diffusion des eingebrachten Fügewerkstoffs, z. B. Silber (Ag), in die Verbindungsmetalle der Fügepartner, z.B. Edelmetalle einschließlich Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), beschleunigt, sondern auch die Oxidation von metallischen Oberflächen begünstigt. So beginnt beispielsweise die Oxidation von Kupfer (Cu) bereits bei 80 °C sichtbar schneller abzulaufen als bei Raumtemperatur.
  • Daher weisen unbehandelte elektronische Baugruppen nach Durchführen des Drucksinterprozess regelmäßig anstelle der ursprünglich glänzend rosa-rot erscheinenden Kupfer-Oberflächen einen stark oxidierten, sich durch eine einheitlich matt-braune Oberfläche ausdrückenden Zustand auf.
  • Um eine Oxidation dieser Metalloberflächen zu verhindern, ist es bereits als Gegenmaßnahme bekannt, die Kupferleiterbahnen bzw. -leiterflächen und die Bauteil-Fügeflächen zum Schutz vor Oxidation mit edleren Metallen zu überziehen. Insbesondere werden hierfür Ni-Flash Au oder Ni-Pd-Überzüge verwendet.
  • An dieser Schutzmaßnahme ist jedoch der erhöhte Arbeits- und Kostenaufwand nachteilig, wobei sich zusätzlich gezeigt hat, dass die derart behandelten Oberflächen die Oxidation verlangsamen, nicht aber gänzlich verhindern. Insbesondere hat sich in Experimenten gezeigt, dass 2-stufige Sinterungen, also Verfahren mit zwei aufeinander folgenden Sintervorgängen, auf durch diese Mittel geschützten Oberflächen nicht durchgeführt werden konnten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern zu schaffen, mit dem eine Oxidation der frei liegenden Metalloberflächen der elektronischen Baugruppe, insbesondere der Leiterbahn(en) und Bauelementanschlüsse wirkungsvoll verhindert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren und die Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Oxidation der metallischen Oberflächen durch nahezu vollständigen Ausschluss von Sauerstoff bei der Durchführung des (thermischen) Sinterprozesses zu unterbinden, wobei sich herausgestellt hat, dass ein vollständiger Ausschluss von Sauerstoff, also eine Sauerstoff-freie Atmosphäre, für den Sintervorgang hinderlich ist. Erfindungsgemäß ist daher der Sauerstoffgehalt beim Sintervorgang auf ein Minimum zwischen 0,005 bis 0,3 % einzustellen. Nämlich so wenig, dass Oxidationsvorgänge nicht oder kaum erfolgen und gerade so viel, dass der Sintervorgang erfolgreich ablaufen kann und zu einem dauerhaften Produkt führt.
  • Grundsätzlich kann ein Ober- und/oder ein Unterstempel für den Sintervorgang vorgesehen sein, wobei zumindest einer der beiden Stempel beheizbar ausgeführt ist. Es bietet sich an, auf dem Unterstempel den Schaltungsträger anzuordnen, wobei der Oberstempel zur Gegendruckerzeugung dient. Somit wird das elektronische Bauelement zur Druckerzeugung zwischen Ober- und Unterstempel mit dem Schaltungsträger durch ein relatives Aufeinanderfahren von Unter- gegen Oberstempel Niederdruck-pressgesintert. Hierzu kann der Unterstempel oder der Oberstempel verfahrbar ausgeführt sein, oder beide Stempel können relativ zueinander zur Druckerzeugung verfahren werden. Bevorzugt wird der Unterstempel gegen den feststehenden Oberstempel verfahren, wobei der Oberstempel ein Druckkissen für eine quasi-hydrostatische Druckverteilung umfasst. Bevorzugt ist zur Pressverfahrbarkeit der Unter- und/oder Oberstempel elektrohydraulisch angetrieben.
  • Insbesondere hat sich bei Sintervorrichtungen, die einen Oberstempel mit einem Druckkissen aufweisen, gezeigt, dass das Druckkissen, beispielsweise ein Silikonkissen, unter atmosphärischen Bedingungen große Anteile an Sauerstoff aufnimmt und speichert. Dieses erhöht die Oxidation der zu fügenden metallischen Verbindungspartnern. Daher kann der Sintervorgang in einer praktisch sauerstofffreien Atmosphäre ablaufen, sofern ein sauerstoffenthaltendes Material vorhanden ist, das ausreichend Sauerstoff beinhaltet und diesen unter Druck freigibt, so dass im Rahmen des Sintervorgangs durch Druck- und Temperaturbeaufschlagung die vorgenannte minimale Sauerstoffkonzentration in die Prozessatmosphäre unmittelbar an die Sinterstelle erreicht werden kann. Ein Beispiel eines solchen Sauerstoff enthaltenden Materials kann eine Trennfolie zum Trennen des Druckkissens vom zu sinternden Bauteil, das direkt auf dem zu sinternden Bauteil aufliegt, sein. Daher ist es zwingend erforderlich, dass der Sintervorgang innerhalb einer gasdicht verschließbaren Kammer stattfindet, in der ein Gasaustausch der umgebenden Atmosphäre gegen eine sauerstoffarme Atmosphäre stattfinden kann. Hingegen hat sich eine reine Gasverdünnung durch Überströmen mit Gasen als unzureichend erwiesen.
  • Insbesondere ist es besonders vorteilhaft, das Druckkissen und/oder eine Trennfolie zwischen Druckkissen und Sinterbauteil vor dem Sintervorgang mit der sauerstoffarmen Atmosphäre zu äquilibrieren und so am Druckkissen anhaftende oder in dieses diffundierte Sauerstoffmoleküle zu verdrängen und aus der Kammer zu entfernen. Vorteilhafterweise besteht die Trennfolie aus einem Polymer, insbesondere Teflon (PTFE), da dieses Material formveränderlich und druckstabil ist und eine Verunreinigung des zu sinternden Bauteils durch ablösendes Material des Druckkissens, insbesondere Silikonrückstände verhindert.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern, weist also wie bekannt die Schritte Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, und Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs auf. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Niedertemperatur-Drucksintern zur Vermeidung der Oxidation des elektronischen Bauelements oder der Leiterbahn in einer sauerstoffarmen Atmosphäre mit einem relativen Sauerstoffgehalt von 0,005 bis 0,3 % durchgeführt wird. Bevorzugt weist die sauerstoffarme Atmosphäre einen relativen Sauerstoffgehalt von 0,05 bis 0,25 %, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,15 % auf.
  • Die sauerstoffarme Atmosphäre weist bevorzugt Stickstoff (N), Kohlendioxid (CO2), ein Edelgas oder eine Mischung aus den vorgenannten Gasen auf, wobei lediglich auf den vorgenannten, für den Sintervorgang förderlichen Sauerstoffanteil zu achten ist.
  • Sollte sich im Einzelfall herausstellen, dass die elektronische Baugruppe nach dem Niedertemperatur-Drucksintern teilweise oxidiert ist, kann die elektronische Baugruppe mit einem Reduktionsmittel begast oder bedampft werden. Bevorzugt bietet sich zur Bedampfung Methansäure (CH2O2) an.
  • Der verwendete Fügewerkstoff ist bevorzugt Silber (Ag), der in Form einer Silber aufweisenden Sinterpaste vorgehalten wird. Es ist denkbar, ein Cu/Ag-Pulver, eine Silberlegierung und weitere Bestandteile in der Sinterpaste vorzusehen. Die Sinterpaste kann in Plättchenform zwischen elektronischem Bauelement und Schaltungsträger angeordnet sein, so dass eine einfache Vorkonfektion und ein gleichmäßiger Pastenbelag der Kontaktstelle erreicht werden kann.
  • In vorteilhafter Weise beträgt die Sintertemperatur zwischen 230 °C bis 300 °C, bevorzugt zwischen 240 °C bis 280 °C liegt, insbesondere 250 °C, um energieeffizient eine zuverlässige Sinterverbindung herzustellen.
  • In vorteilhafter Weise beträgt der Sinterdruck zwischen 20MPa bis 40MPa, bevorzugt zwischen 25MPa bis 35MPa, insbesondere 30MPa beträgt, um energieeffizient eine zuverlässige Sinterverbindung herzustellen.
  • Die elektronischen Bauelemente können passive oder aktive Bauelemente sein.
  • In einem Nebenaspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine erste Kammer (Vorheizkammer) mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen der elektronischen Baugruppe auf bis zu 100 °C. An die erste Kammer ist eine zweite Kammer (Sinterkammer) mit einem Ober- und einem Unterstempel zum Ausführen der Niedertemperatur-Drucksinterung bei einer Temperatur bis zu 300 °C und einem Druck bis zu 30 MPa angeschlossen. Zumindest einer der beiden Stempel, bevorzugt beide Stempel sind beheizbar. Des Weiteren ist eine mit der zweiten Kammer verbundene dritte Kammer (Abkühlkammer) zum Abkühlen der gesinterten elektronischen Baugruppe auf 80 °C, vorgesehen. Wenigstens die zweite Kammer ist gasdicht verschließbar ist und Mittel zum Herstellen der sauerstoffarmen Atmosphäre ausgerüstet.
  • Alternativ kann eine einzelne Sinterkammer vorgesehen sein, die eingerichtet ist, das Druckkammersintern mit Druck und Temperatur durchzuführen. Diese einzelne Kammer kann weiterhin eingerichtet sein, ein Vorheizen und/oder ein Abkühlen der elektronischen Baugruppe durchführen.
  • Alternativ kann eine Vorheizkammer und eine Sinterkammer mit Abkühlmöglichkeit oder eine Sinterkammer mit Vorheizmöglichkeit mit einer angeschlossenen Abkühlkammer vorgesehen sein.
  • Vorteilhafterweise kann eine die zweite Kammer mit der dritten Kammer verbindende vierte Kammer (Reduktionskammer) vorgesehen sein, die Mittel zum Einbringen eines gas- oder dampfförmigen Reduktionsmittels, insbesondere Ameisensäure aufweisen. Alternativ können in einer einzigen Sinterkammer oder in der dritten Kammer (Abkühlkammer) Mittel zum Einbringen eines gas- oder dampfförmigen Reduktionsmittels vorgesehen sein. Die Reduktionskammer kann eine Heizvorrichtung umfassen, die ausgebildet ist, um eine relativ flache Abkühlrampe von der Sintertemperatur zur Abkühltemperatur zu unterstützen, so dass das elektronische Bauelement bereits in der Reduktionskammer während des Reduktionsvorgangs kontrolliert abgekühlt werden kann, um eine Abkühldauer zu verkürzen bzw. eine gewünschte flache Temperaturabkühlrampe der Bauteiltemperatur zu erreichen.
  • Vorzugsweise können zwei benachbarte Kammern, insbesondere alle Kammern gasdicht und insbesondere unter Vakuumatmosphäre mittels Kammertrenneinrichtungen verbunden sein. Die Kammertrenneinrichtung kann als Schleuseneinrichtung mit zwei Vakuumschiebern oder als Ventiltoreinrichtung mit einem Vakuumschieber ausgeführt sein. Hierdurch können voneinander getrennte Temperaturen und atmosphärische Bedingungen in den einzelnen Kammern bereitgestellt werden.
  • Grundsätzlich sind zwei oder mehrere Kammern linear hintereinander angeordnet, so dass ein elektronisches Bauteil sequentiell in einem Lineartaktverfahren bearbeitet werden kann. Es ist alternativ denkbar, die Kammern bogenförmig oder kreisförmig anzuordnen, wobei zentral die zu bearbeitenden Bauteile in jede Kammer geführt und entnommen werden können, und in eine andere Kammer verbracht werden können, so dass ein Rundtaktverfahren umgesetzt werden kann. Hierzu können die Kammern nicht miteinander verbunden sein, sondern Schleusen- oder Toreinrichtungen zu einer Verfahreinrichtung aufweisen, insbesondere zu einem Transportroboter, der ein Bauteil aus einer Kammer in eine weitere Kammer transportieren kann. Hierbei kann bei Ausfall einer Kammer eine andere Kammer deren Aufgabe übernehmen, ohne dass der Fertigungsprozess unterbrochen wird, wodurch eine hohe Flexibilität und eine verringerte Störanfälligkeit des Sinterprozesses erreicht werden kann.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein elektrohydraulischer Antrieb des Unterstempels vorgesehen sein, wobei der Unterstempel einen Stempelzylinder aufweist. Der Stempelzylinder kann eine Kolbenstange und einen Kolbenring in einem Hydrauliksumpf umfassen, wobei die Kolbenstange einem Durchmesser größer gleich dem Stempeldurchmesser des Unterstempels aufweist. Die Kolbenstange kann durch den Kolbenring im Zylindergehäuse axial geführt und gehalten werden. Hierdurch wird eine Pressenvorrichtung in der Sinterkammer bereitgestellt, die als kompakte Baueinheit ausbildbar ist und eine hohe Parallelität der Stempeloberflächen sowie präzise X/Y-Ausrichtung von Oberstempel und Unterstempel sowie eine gleichförmige Druckerzeugung erreichen kann.
  • Die Erfindung wird anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit einer einzigen Sinterkammer;
  • 2 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit zwei Sinterkammern;
  • 3 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit drei Sinterkammern;
  • 4 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit vier Sinterkammern; und
  • 5. Schematischer Aufbau einer Pressenvorrichtung für eine Sinterkammer nach der Erfindung.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit einer einzigen Sinterkammer.
  • Die einzige Sinterkammer 10 weist eine Beschickungsöffnung 12 für einen Werkstückträger 13 auf, der für die Aufnahme einer zu bearbeitenden Baugruppe eingerichtet ist. Innerhalb der Sinterkammer 10 befindet sich eine Presse, bestehend aus der jeweils heizbaren/kühlbaren Unter- und Oberstempeleinheit 11a und 11b. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens passiert der Werkstückträger 13 die Beschickungsöffnung 12 und wird zwischen Unter- und Oberstempeleinheit 11a und 11b platziert, wobei die (nicht dargestellte) Baugruppe durch Zusammenfahren der Stempel 11a, 11b und durch Heizen gesintert wird. Es ist weiterhin denkbar, dass einer der beiden Stempel 11a, 11b fest steht, und der jeweilig andere Stempel 11a, 11b relativ zum feststehenden Stempel 11a, 11b verfährt. Nach Abschluss der Sinterung wird der Werkstückträger 13 mit der Baugruppe wieder durch die Beschickungsöffnung 12 durch Herausfahren entnommen. Zur Herstellung eines konstanten Sinterdrucks ist eine parallele und in einer X/Y-Ebene präzise relative Ausrichtung der beiden Stempel 11a, 11b wünschenswert, die über eine nicht dargestellte Einstelleinrichtung einer Pressenvorrichtung vorgenommen werden kann. Die Einstelleinrichtung kann den Ober- und/oder den Unterstempel 11a, 11b in einer X/Y-Richtung gegeneinander justieren und eine parallele Ausrichtung der Stempeloberflächen bewirken.
  • Optional kann in der Sinterkammer 10 nach dem Sintervorgang und Öffnen der Stempel 11a, 11b eine Reduzierung etwaig vorhandener Oxidschichten vorgenommen werden. Die Schaffung einer Sinteratmosphäre geschieht durch die Befüll- und Entleerungsstutzen 15a, 15b nach Beschicken der Sinterkammer 10 durch den Werkstückträger 13.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit zwei Sinterkammern.
  • Der Aufbau dieser Vorrichtung ist mit dem Aufbau aus 1 weitgehend identisch, jedoch ergänzt um eine der Sinterkammer 10 vorgeschaltete Kammer 20, in der das Substrat sauerstofffrei vorgewärmt wird und auch nach dem Sintern in der Sinterkammer 10 sauerstofffrei abgekühlt wird. Vorteil der 2-Kammerlösung gegenüber der in 1 gezeigten 1-Kammerlösung ist die schnellere Taktrate, denn die Heizung 14 in der Sinterkammer 10 muss nun nicht die gesamte thermische Masse auf Sintertemperatur heizen und wieder abkühlen.
  • 3 zeigt eine besonders bevorzugt ausgestaltete Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit drei Sinterkammern, wobei die 3-Kammerlösung die serielle Durchleitung des Werkstückträgers 13 durch die erste Kammer 20 (sauerstofffreies Aufheizen), die zweite (Sinter-)Kammer 10 (sauerstofffreies Sintern) und die dritte Kammer 30 (sauerstofffreies Abkühlen auf Raumtemperatur) ermöglicht.
  • 4 zeigt eine höchst bevorzugt ausgestaltete Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit vier Sinterkammern.
  • Die 4-Kammerlösung entspricht in ihrer Funktionalität weitestgehend der 3-Kammerlösung, ist jedoch zusätzlich mit einer weiteren (vierten) Kammer 40 ausgestattet, die das aktive Reduzieren von Restoxiden nach dem Sintern gestattet. Das Vorsehen einer zwischen der in 3 gezeigten zweiten und dritten Kammer 20, 30 weiteren Kammer 40 ist besonders vorteilhaft, weil sich herausgestellt hat, dass die Oberflächen in Vakuumöfen in der Praxis mit Rückständen der Verbrennungsprodukte belegt und werden und sich dort verankerte Sauerstoffcluster ausbilden. Diese Cluster lösen sich nur nach ausgedehnten Ausheiz- und Evakuierungsphasen. Diese Aufheizphasen sind jedoch bei laufender Produktion unerwünscht.
  • Daher wird vorgeschlagen, nach der sauerstofffreien bzw. sauerstoffarmen Sinterung in der weiteren Kammer 40 eine aktive Reduzierung der Sauerstoffcluster und Oxidbildungen vorzunehmen. Dies kann vorzugsweise durch Anteile von Wasserstoff oder dampfförmige Ameisensäureanteile (Methansäure CH2O2) vorgenommen werden. Anschließend ist in der vierten Kammer 40 das sauerstofffreie Abkühlen zum Ausschleusen möglich.
  • Allgemein erfolgt der Transsport der Werkstückträger in synchronen Schritten, seriell durch alle Kammern, wobei der langsamste Prozessschritt in einer der 4 Kammern den Zeittakt bestimmt.
  • Der Verfahrensablauf ist dann wie folgt:
    • – Zuführung der zu sinternden Baugruppe oder optional Baugruppen auf einem Werkstückträger durch die gasdicht verschließbare Öffnung in den Druckraum zwischen Ober- und Unterstempel;
    • – Schließen der Öffnung und dann folgende Erwärmung, Gastausch der Umgebungsatmosphäre durch die (technische) sauerstoffarme Atmosphäre (z.B. Stickstoff), Schließen von Ober- und Unterstempel, Aufbauen eines Sinterdruckes während die Sintertemperatur erreicht wird;
    • – Abschluss der Niedertemperatur-Drucksinterung und Senken der Stempeltemperatur auf unter 80 °C, Öffnen von Ober- und Unterstempel, Entnahme der Baugruppe bzw. des Werkstückträgers durch die Kammeröffnung; und
    • – Bereitstellen der Gerätschaft für eine Folgesinterung.
  • Insbesondere können die beschriebenen Kammern zwei gasdichte, verschließbare Öffnung besitzen, durch die eine fortlaufende, serielle Beschickung durch eine Eintrittsöffnung und die Entnahme durch die zweite Öffnung erfolgen kann.
  • Ein kontinuierlicher Arbeitsfluss und eine Steigerung des Durchsatzes der Vorrichtung werden erreicht durch folgende Maßnahmen, die auch einzeln angewendet werden können:
    In einer ersten Kammer 20 mit annähernd gasdichtem Verschluss und einer Eintrittsöffnung wird der Werkstückträger zugeführt und die Eintrittsöffnung verschlossen. Die Austrittsöffnung der ersten Kammer 20 ist auch die Eintrittsöffnung zur zweiten Kammer 10. Diese Austrittsöffnung ist geschlossen, wenn die Eintrittsöffnung geöffnet ist. Wenn beide gasdicht verschließbaren Öffnungen verschlossen sind, erfolgt in der ersten Kammer 20 der Gastausch von der Umgebungsatmosphäre zur Prozessgasatmosphäre.
  • Nach dem Gastausch erfolgt eine Erwärmung des Werkstückträgers bis zu einer Grenze unterhalb der beginnenden Sinterung (z.B. 100 °C). Anschließend wird die zweite Öffnung geöffnet und der Werkstückträger durch eine Transportvorrichtung von der ersten Kammer 20 durch die zweite Öffnung in die zweite Kammer 10 verbracht.
  • In der zweiten Kammer 10 herrscht dauerhaft die Prozessgasatmosphäre. Diese zweite Kammer 10 weist ebenfalls eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. Beim Einfahren des Werkstückträgers in die zweite Kammer 10 ist die Austrittsöffnung zur dritten Kammer 40 geschlossen. In der zweiten Kammer 10 wird der Werkstückträger zwischen Ober- und Unterstempel der Verdichtungsvorrichtung platziert. Dann werden die weitere Erwärmung des Werkstückträgers und die Verdichtung der Fügeschicht durch Zusammenfahren von Ober- und Unterstempel herbeigeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Verdichtung auch einen positiven Einfluss auf die Wärmeübergänge hat, daher wird die Erwärmung vorzugsweise mit zusammengefahrenen Stempeln vorgenommen. Nach Durchführung der Sinterung werden die Stempel auseinandergefahren und die dritte Kammer 40 mit Prozessgas geflutet. Anschließend wird die dritte Öffnung geöffnet und der Werkstückträger durch eine Transportvorrichtung von der zweiten Kammer 10 durch die dritte Öffnung in die dritte Kammer 40 verbracht.
  • Die dritte Kammer 40 besitzt optional eine Prozessgasanreicherung mit reduzierenden Bestandteilen. Dies können Anteile von Wasserstoff oder dampfförmige Ameisensäureanteile (Methansäure CH2O2) sein. Diese Stoffe reduzieren auf den Metallen entstandene Oxide, insbesondere Kupferoxide. Damit wird die Beseitigung von Oxiden unterstützt für den Fall, dass die Bildung von Oxiden in der ersten und in der zweiten Kammer 20, 10 während der Aufheiz- und Sinterphase nicht vollständig unterbunden werden konnte. Der Werkstückträger wird während der Verweildauer in der dritten Kammer 40 auf der Sintertemperatur gehalten. Es hat sich gezeigt, dass dann die Reduzierung der Oxide optimal ist und gleichzeitig eine Weiterführung der Sinterung erfolgt.
  • Die Prozessgasanreicherung kann dauerhaft in der dritten Kammer 40 aufrechthalten bleiben. Nach Abschluss des Reduzierung- und Temperierungsprozesses in der dritten Kammer 40 wird die vierte Kammer 30 mit Prozessgas geflutet (ohne Reduzierungsanreicherung). Anschließend wird die vierte Öffnung geöffnet und der Werkstückträger durch eine Transportvorrichtung von der dritten Kammer 40 durch die vierte Öffnung in die vierte Kammer 30 verbracht.
  • Die vierte Kammer 30 dient dem Abkühlen auf Raumtemperatur unter Prozessgas, das durchgeführt wird bis 80 °C erreicht sind, nämlich der Temperatur bei der fortschreitende Oxidation unkritisch ist. Das Kühlen wird unterstützt durch eine auf 80 °C temperierte Verweilplatte für den Werkstückträger. Die Verweilplatte 31 kann durch ein mechanisches Kontaktieren des elektronischen Bauelements ein kontrolliertes Abkühlen durch eine vordefinierbare Temperatur-Kühlrampe vornehmen. Die Verweilplatte 31 kann als fluiddurchströmte Kühl- oder Heizvorrichtung ausgeführt sein. Wenn die Temperatur von 80 °C erreicht ist, kann durch Öffnen der fünften Öffnung der Werkstückträger ausgeschleust werden. Anschließen erfolgt eine Neufüllung der vierten Kammer 30 mit Prozessgas für den nächsten Werkstückträger, der für die sauerstofffreie Abkühlung aus der dritten Kammer 40 eingeschleust wird.
  • Die Kammerfunktion und schleusengasdicht verschließbare Öffnungen sind bevorzugt durch einen gemeinsamen Arbeitstaktgeber synchronisiert. Der Arbeitstakt wird durch den langsamsten Prozessschritt bestimmt. Dies ist das Niedertemperatur-Drucksintern in der zweiten Kammer 2, das ca. 10 Minuten benötigt. Taktraten von mindestens 3 min bis zu 21 min sind ebenfalls einstellbar. Ein längeres Verweilen der Werkstückträger in den Kammern 20, 40 und 30 ist von Vorteil für die Erreichung der jeweiligen Prozessziele in den Kammer und ist daher ohne Einschränkung zu tolerieren. Die einzelnen Prozessziele der Kammern sind:
    Erste Kammer 20: sauerstofffreies Aufwärmen auf bis 100 °C
    Zweite Kammer 10: sauerstofffreies Druck-Sintern bei max. 300 °C und max. 30 MPa.
    Dritte Kammer 40: Optionale Reduktion von Rest-Oxiden
    Vierte Kammer 30: sauerstofffreies Abkühlen auf 80 °C.
  • In der 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Pressenvorrichtung 50 zum Einsatz in einer Sinterkammer 10 dargestellt. Die Pressenvorrichtung 50 weist einen elektrohydraulischen Antrieb 52 auf, mittels dessen Hilfe der Unterstempels 11b gegen den feststehenden Oberstempel 11a zur Erzeugung des Sinterdrucks fahren kann. Der Antrieb 52 ist ausgelegt, einen Druck von 30 MPa zu erreichen. Der Oberstempel 11a umfasst eine Heizeinrichtung 14a und der Unterstempel 11b umfasst eine Heizeinrichtung 14b. Auf dem Oberstempel ist ein Druckkissen 64 aus Silikon zur Erzeugung eines quasi-hydrostatischen Sinterdrucks auf ein auf einem Werkstückträger 13 gelagerten Sinterbauteils angeordnet. Der Unterstempel 11b ist auf einem Stempelzylinder 54 angeordnet, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des Unterstempels 11b ist. Der Stempelzylinder 54 umfasst eine Kolbenstange 56, die von einem Kolbenring 58 in einem Hydrauliksumpf 60 eines Zylindergehäuses 62 geführt und ausgerichtet ist, so dass die Oberfläche des Unterstempels 11b parallel zur Oberfläche des Oberstempels 11a ausgerichtet ist. In der X/Y Oberflächenebene des Unterstempels 11b kann der Unterstempel 11b gegenüber dem Oberstempel 11a mittels einer Einstelleinrichtung 66 ausgerichtet werden. Der Kolbenring 58 trägt und führt die Kolbenstange 56 und definiert ein gleichmäßiges und ausgerichtetes Verfahren des Unterstempels 11b in vertikaler Richtung zum Oberstempel 11b.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (14)

  1. Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern, mit den Schritten: – Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, – Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs, wobei das Niedertemperatur-Drucksintern zur Vermeidung der Oxidation des elektronischen Bauelements oder der Leiterbahn in einer verschließbaren Sinterkammer mit einer sauerstoffarmen Atmosphäre mit einem relativen Sauerstoffgehalt von 0,005 bis 0,3 % durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffarme Atmosphäre einen relativen Sauerstoffgehalt von 0,05 bis 0,25 % aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffarme Atmosphäre einen relativen Sauerstoffgehalt von 0,05 bis 0,15 % aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterkammer gasdicht verschlossen ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffarme Atmosphäre Stickstoff (N), Kohlendioxid (CO2), ein Edelgas oder eine Mischung aus den vorgenannten Gasen aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Baugruppe nach dem Niedertemperatur-Drucksintern mit einem Reduktionsmittel begast oder bedampft wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Methansäure (CH2O2) ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügewerkstoff Silber (Ag) ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur zwischen 230 °C bis 300 °C, bevorzugt zwischen 240 °C bis 280 °C liegt, insbesondere 250 °C beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterdruck zwischen 20 MPa bis 40 MPa, bevorzugt zwischen 25 MPa bis 35 MPa, insbesondere 30 MPa beträgt.
  11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit – einer Kammer (10) mit einer Heizeinrichtung (14) zum Erwärmen der elektronischen Baugruppe auf bis zu 300 °C und mit einem Ober- und einem Unterstempel (11a, 11b), wobei zumindest einer der beiden Stempel (11a, 11b) beheizbar ist, zum Ausführen der Niedertemperatur-Drucksinterung bei einer Temperatur bis zu 300 °C und einem Druck bis zu 30 MPa, wobei die Kammer (10) geeignet ist, die gesinterte elektronischen Baugruppe auf 80 °C kontrolliert abzukühlen, und wobei die Kammer (10) gasdicht verschließbar ist und Mittel zum Herstellen der sauerstoffarmen Atmosphäre aufweist.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit – einer ersten Kammer (20) mit einer Heizeinrichtung (14) zum Erwärmen der elektronischen Baugruppe auf bis zu 100 °C, – einer mit der ersten Kammer (20) verbundenen zweiten Kammer (10) mit einem Ober- und einem Unterstempel (11a, 11b)), wobei zumindest einer der beiden Stempel (11a, 11b) beheizbar ist, zum Ausführen der Niedertemperatur-Drucksinterung bei einer Temperatur bis zu 300 °C und einem Druck bis zu 30 MPa, und – einer mit der zweiten Kammer (10) verbundenen dritten Kammer (30) zum Abkühlen der gesinterten elektronischen Baugruppe auf 80 °C, wobei wenigstens die zweite Kammer (20) gasdicht verschließbar ist und Mittel zum Herstellen der sauerstoffarmen Atmosphäre aufweist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine die zweite Kammer (10) mit der dritten Kammer (30) verbindende vierte Kammer (40), die Mittel zum Einbringen eines gas- oder dampfförmigen Reduktionsmittels aufweisen, bzw. in der Kammer (20) vorgesehene Mittel zum Einbringen eines gas- oder dampfförmigen Reduktionsmittels.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Pressenvorrichtung (50) mit einem elektrohydraulischen Antrieb (52) des Unterstempels 11b, wobei der Unterstempel 11b einen Stempelzylinder (54) aufweist, umfassend eine Kolbenstange (56) und einen Kolbenring (58) in einem Hydrauliksumpf (60) umfasst, wobei die Kolbenstange (56) einem Durchmesser größer gleich dem Stempeldurchmesser des Unterstempels 11b aufweist und die Kolbenstange (56) durch den Kolbenring (58) im Zylindergehäuse (62) axial geführt und gehalten wird.
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