DE102014114095A1 - Sintervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Sintervorrichtung (10) zum Sintern zumindest einer elektronischen Baugruppe (BG), mit einem Unterstempel (20) und einem gegen den Unterstempel (20) verfahrbaren Oberstempel (30) oder einem gegen den Oberstempel (30) verfahrbaren Unterstempel (20), wobei der Unterstempel (20) eine Auflage für die zu sinternde Baugruppe (BG) ausbildet und der Oberstempel (30) eine ein Druckkissen (32) zum Ausüben eines gegen den Unterstempel (20) gerichteten Drucks aufnehmende Aufnahme mit einer das Druckkissen (32) seitlich umgebenden Begrenzungswandung (34) aufweist, wobei die Begrenzungswandung (34) ein äußeres Begrenzungselement (34a) und ein vom äußeren Begrenzungselement (34a) benachbart umgebenes inneres Begrenzungselement (34b) aufweist, und wobei das innere Begrenzungselement (34b) gegen das äußere Begrenzungselement (34a) verschieblich und sich bei Einwirken eines in Richtung des Oberstempels (30) auf das Druckkissen (32) wirkenden Drucks in Richtung des Unterstempels (20) verschiebend gelagert ist, wobei nach einem Aufsetzen des inneren Begrenzungselements (34b) auf dem Unterstempel (20) das Druckkissen (32) in Richtung Unterstempel (20) verdrängbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sintervorrichtung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe, mit einem Unterstempel und einem gegen den Unterstempel verfahrbaren Oberstempel, wobei der Unterstempel eine Auflage für die zu sinternde Baugruppe ausbildet und der Oberstempel eine ein Druckkissen zum Ausüben eines gegen den Unterstempel gerichteten Drucks aufnehmende Aufnahme mit einer das Druckkissen seitlich umgebenden Begrenzungswandung aufweist.
  • Sintervorrichtungen zur Durchführung des Niedertemperatur-Drucksinterns von elektronischen Baugruppen sind bereits bekannt. Diese weisen beispielsweise eine Sinterkammer, die mit einem für den Sintervorgang besonders förderlichen Gas oder einem entsprechenden Gasgemisch gefüllt werden kann, sowie einen in der Sinterkammer angeordneten Oberstempel und eine Unterstempel auf, wobei Ober- und Unterstempel gegeneinander verfahren werden können und bevorzugt jeweils eine eigene Heizeinrichtung aufweisen können.
  • Das Sintern der elektronischen Baugruppen selbst erfolgt dabei durch Temperierung der zu sinternden Baugruppen und Einwirken eines durch die Stempel vermittelten Drucks. So beträgt beispielsweise die für die Verbindung und Diffusion bei Niedertemperatur-Drucksintern mit Silber (Ag) erforderliche Temperatur regelmäßig zwischen ca. 130 °C und 250 °C bis 300 °C und benötigt bei einem Druck bis max. 30 MPa eine Zeitdauer von etwa 5 bis 10 min.
  • Beim Sintern wird der Diffusionsvorgang insbesondere durch Silberschichten mit großer Oberfläche zwischen den Fügepartnern begünstigt, durch Verwenden von anfangs feinen Partikeln (5 nm–20 µm) in Form von pastösen Schichten oder vorprozessierten Ag-Plättchen. Damit eine besonders scherfeste und fein-geschlossenporige Schicht entsteht, wird die Fügeschicht vor und während des Diffusionsvorganges durch Druck verdichtet. Nach dem Abklingen des Diffusionsvorganges werden der Druck und die Temperatur gesenkt.
  • Als Ergebnis eines solchen Sintervorgangs erhält man eine scherfeste und stoffschlüssige Verbindung, die die Bauelemente, z.B. einen Transistor, elektrisch und thermisch mit dem Schaltungsträger verbindet, wobei die derart prozessierte Baugruppe der Sintervorrichtung nach dem Absenken von Druck und Temperatur und dem Öffnen der Pressenstempel entnommen werden kann.
  • Problematisch an der Verwendung von Druckkissen ist, dass diese durch starke Verformungsarbeit an den Bauelementen gelegentlich Kantenabbrüche erzeugen. Daher ist es aus der DE 10 2010 020 696 B4 bereits bekannt, ein Druckkissen mit einer Kontur auszuformen, die als Negativ der Kontur der zu sinternden Baugruppe entspricht.
  • Nachteilig an solch einem konturierten Druckkissen wiederum ist, dass zwar ein Umschließen der zu sinternden Baugruppe möglich ist, ein seitliches Ausweichen des Druckkissens bei der Anwendung hoher Drücke und damit eine Beschädigung der Baugruppe jedoch nicht vollständig vermieden werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sintervorrichtung zu schaffen, die das Durchführen eines robusten Verfahrens zur Sinterung, insbesondere zur Sinterung von elektronischen Baugruppen, ohne das Problem eines seitlichen Ausweichens des Druckkissens und der damit verbundenen Beeinträchtigungen erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Sintervorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Erfindungsgemäß weist die Sintervorrichtung zum Sintern zumindest einer elektronischen Baugruppe, einen Unterstempel und einen gegen den Unterstempel verfahrbaren Oberstempel oder einen Oberstempel und einen gegen den Oberstempel verfahrbaren Unterstempel auf, wobei der Unterstempel eine Auflage für die zu sinternde Baugruppe ausbildet und der Oberstempel eine Aufnahme aufweist, in der ein Druckkissen zum Ausüben eines gegen den Unterstempel gerichteten Drucks angeordnet ist. Die das Druckkissen umgebende Begrenzungswandung weist dabei ein äußeres Begrenzungselement und ein vom äußeren Begrenzungselement umgebenes inneres Begrenzungselement auf, wobei das innere Begrenzungselement gegen das äußere Begrenzungselement verschieblich und sich bei Einwirken eines in Richtung des Oberstempels auf das Druckkissen wirkenden Drucks in Richtung des Unterstempels verschiebend gelagert ist. Nach einem eventuellen Aufsetzen des inneren Begrenzungselements auf dem Unterstempel wird das Druckkissen in Richtung Unterstempel verdrängt. Dies wird dadurch bewirkt, dass das innere, vertikal bewegliche Begrenzungselement durch den Unterstempel in Richtung Oberstempel gepresst wird, und somit das Druckkissen verdrängt. Eine Mehrzahl von zu sinternden Baugruppen kann auf einem Werkstückträger angeordnet sein, wobei ein Werkstückträger, der eine Mehrzahl von Baugruppen trägt, anstelle einer einzelnen Baugruppe zwischen Ober- und Unterstempel zum Drucksintern eingebracht werden kann.
  • Die Vorrichtung ist also so ausgebildet, dass ein in Richtung des Oberstempels auf das Druckkissen einwirkender Druck durch dessen darauffolgende Verdrängung auf das innere Begrenzungselement derart umgelenkt wird, dass dieses sich in Richtung des Unterstempels verschiebt. Durch diese Anordnung wird also nach Art der Selbsthemmung erreicht, dass sich das innere Begrenzungselement dicht an den unteren Stempel anschmiegt, ohne dass nicht einmal die seitlichen Verdrängungskräfte des Druckkissens ausreichen könnten sich zwischen den Unterstempel und das innere Begrenzungselement zu schieben und das innere Begrenzungselement vom Unterstempel abzuheben.
  • Die durch die Höhenkontur der Baugruppe und der Bauelemente erzeugten Verdrängungskräfte werden also in einen Dichtungsdruck konvertiert. Nach Zusammenführung von Oberstempelkammer und Unterstempelfläche ist die Höhenkontur der Baugruppe inkl. Bauelemente und gestapelter Funktionselemente vollständig von dem Druckkissenmaterial umschlossen und werden auf diese Weise quasi-hydraulisch druckgesintert. Ragt das innere Begrenzungselement in Richtung Unterstempel über das äußere Begrenzungselement hinaus, so kann das innere Begrenzungselement den Unterstempel kontaktieren und wird bei weiterer Druckerhöhung horizontal verschieblich Richtung Oberstempel gepresst und verhindert ein seitliches Ausweichen des Druckkissens. Das Druckkissen wird umfänglich durch die Begrenzungswand und dem Unterstempel mit zu sinternder Baugruppe innerhalb eines geschlossenen Kammervolumens umschlossen. Die entstehende Volumenänderung durch ein Verschieben des inneren Begrenzungselements in Richtung Oberstempel verdichtet das Druckkissen in das Kammervolumens, berandet von Begrenzungswand und Unterstempel, und drängt das Druckkissen in Richtung Baugruppe. Hierdurch wird ein hydrostatischer Sinterdruck auf die Baugruppe ausgeübt, der in beliebigen Grenzen variiert werden kann.
  • Das innere Begrenzungselement kann beispielsweise aus einem oxydischen, polymeren oder metallischen Material gebildet sein. Eine nützliche Eigenschaft ist hierbei die Erzeugung geringer Losbrechkräfte, welches einen angepassten Ausdehnungskoeffizienten zwischen Oberstempelkammer und innerem Begrenzungselement bedingt. Bei Metallen lässt sich dies vorteilhafter erreichen: Martensitischer Chromstahl, Federstahl oder auch duktiles Eisen erfüllen diese Anforderung bei gleichzeitiger Formtreue bei hohen Temperaturen.
  • Insbesondere sind das äußere und das innere Begrenzungselement bevorzugt ringförmig ausgebildet. Die Ringform kann rund ausgebildet sein, allerdings ist auch eine elliptische, polygonale oder rechteckförmige Ringform denkbar, insbesondere Ringformen, die der Außenkontur der Baugruppe, formkomplementär angepasst sind.
  • Die Baugruppe kann als Einzelbauteil sinterbar sein, oder ein Verbund mehrerer Baugruppen kann auf einem Werkstückträger angeordnet sein, wobei der gesamte Werkstückträger zwischen Ober- und Unterstempel mittels eines oder mehrerer Druckkissen gesintert werden kann. Hierbei können auf dem Oberstempel ein, zwei oder mehrere Druckkissen angeordnet sein, wobei z.B. jeder Baugruppe ein Druckkissen mit Begrenzungswand zugeordnet sein kann, oder dem Werkstückträger mit mehreren Baugruppen ein einziges Druckkissen mit Begrenzungswand zugeordnet sein kann.
  • Nach einer bevorzugten, besonders einfachen Ausgestaltung dient das Druckkissen selbst bei einer Bewegung des inneren Begrenzungselements in Richtung des Oberstempels als Widerlager für das innere Begrenzungselement. Hierfür liegt das dem Unterstempel gegenüberliegende Ende des inneren Begrenzungselements einem Teil des Druckkissens auf, das mit dem vom inneren Begrenzungselement umschlossenen Teil des Druckkissens kommunizierend eingerichtet, bevorzugt einstückig ausgebildet ist.
  • Bevorzugt ist das innere Begrenzungselement so angeordnet, dass es zumindest in einer Position in Richtung des Unterstempels über das äußere Begrenzungselement hinausragt und so in Kontakt mit dem Unterstempel kommt bevor das äußere Begrenzungselement mit dem Unterstempel in Kontakt kommen kann.
  • Das Druckkissen ist bevorzugt ein Silikon- oder Gummikissen, kann aber auch aus einem anderen porenfreien Elastomer gebildet sein. Diese Stoffe sind bei den beim Sintern vorkommenden Temperaturen bis 300 °C hoch elastisch und weisen bei den verwendeten Drücken und Temperaturen aufgrund ihrer extremen Vernetzung auch kein plastisches Fließen auf.
  • Da das für das Druckkissen verwendete Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, wird sich dieses hydraulische Material bei ansteigender Temperatur dehnen und auf diese Weise den Sinterdruck ansteigen lassen. Es wird daher eine Druckregelung empfohlen, die den resultierenden Sinterdruck als Summendruck aufnimmt und durch Abstandsverstellung zwischen Oberstempelkammer und Unterstempel kompensieren kann.
  • Weiterhin kann der Unterstempel der Vorrichtung eine Vertiefung zur Aufnahme der zu sinternden Baugruppe oder einem Werkstückträger für mehrere Baugruppen aufweisen.
  • Vorteilhafterweise kann eine Schutzfolie zwischen Baugruppe und Oberstempel angeordnet sein. die Schutzfolie kann bevorzugt eine Teflonfolie (PTFE-Folie) sein. Die Schutzfolie trennt Baugruppe von Druckkissen und schützt die Baugruppe vor Verschmutzung und Verkleben der Baugruppe durch beispielsweise Materialabrieb, insbesondere Silikonabrieb des Druckkissens.
  • Die Erfindung wird anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Ausführungsbeispiels nach der Erfindung in einer ersten Position vor dem Zusammenfahren des Ober- und Unterstempels;
  • 2 eine Schnittansicht durch das besonders bevorzugt ausgestaltete Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in einer zweiten Position nach dem Zusammenfahren des Ober- und Unterstempels;
  • 3 eine Schnittansicht durch das besonders bevorzugt ausgestaltete Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in einer dritten Position nach einem weiteren Zusammenfahren des Ober- und Unterstempels.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Ausführungsbeispiels nach der Erfindung in einer ersten Position vor dem Zusammenfahren des Ober- und Unterstempels.
  • Die Sintervorrichtung 10 weist einen Unterstempel 20 und einen Oberstempel 30 auf. Der Unterstempel 20 weist bevorzugt eine Heizeinrichtung 22 auf. Ebenso kann auch der Oberstempel 30 mit einer Heizeinrichtung versehen sein (nicht gezeigt).
  • Der Unterstempel 20 bildet eine Auflage für die zu sinternde elektronische Baugruppe BG aus, wobei die Auflage auch die Form einer im Unterstempel vorgesehenen Vertiefung haben kann.
  • Der Oberstempel 30 weist eine Aufnahme für ein Druckkissen 32 auf, das vollständig von einer Begrenzungswandung 34 umgeben ist. Die Begrenzungswandung 34 weist ein äußeres Begrenzungselement 34a und ein dem äußeren Begrenzungselement 34a benachbart angeordnetes, von diesem umgebenes inneres Begrenzungselement 34b auf, wobei das innere Begrenzungselement 34b gegen das äußere Begrenzungselement 34a verschieblich und sich bei Einwirken eines in Richtung des Oberstempels 30 auf das Druckkissen 32 wirkenden Drucks in Richtung des Unterstempels 20 verschiebend gelagert ist.
  • Insbesondere ist hier vorgesehen, dass das Volumen des elastischen Druckkissens 32 mit der Unterseite des Oberstempels 30 bündig abschließt. Beim Zusammenfahren des Ober- und des Unterstempels 20, 30 verdrängt die eindringende 3-D-Kontur der Baugruppe BG das Druckkissen 32, das nun das innere Begrenzungselement 34b in Richtung des Unterstempels 20 schiebt.
  • Die erhöhte, parallele Fläche der Baugruppe BG muss nun größer sein, als die obere, dem Unterstempel 20 entgegengesetzte Fläche des inneren Begrenzungselements 34b, damit eine vergrößerte Kraft zum Verschieben erzeugt wird. Das verdrängte Volumen hingegen ist ein Maß für den maximalen Weg des inneren Begrenzungselements 34b.
  • Da ein passend gefertigtes inneres Begrenzungselement 34b typischerweise ein Losbrechmoment aufweist, muss die Kraftvergrößerung, um dieses zu überwinden, mindestens 5fach sein. Dies bedeutet, dass die parallele Fläche der Baugruppe BG mindestens 5fach größer sein muss als die obere Fläche des inneren Begrenzungselements 34b.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht durch das besonders bevorzugt ausgestaltete Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in einer zweiten Position nach dem Zusammenfahren des Ober- und Unterstempels.
  • Während des Zusammenfahrens verdrängt das Volumen der Baugruppe BG das Druckkissen und das verdrängte Volumen schiebt das innere Begrenzungselement 34b in Richtung des Unterstempels 20. Die pressende Fläche der Baugruppe BG ist nun größer als die obere Fläche des inneren Begrenzungselements 34b. Durch ein vertikales Herausschieben des Begrenzungselements 34b in Richtung des Unterstempels 20 wird ein seitliches Ausweichen des Druckkissens 32 aus der Begrenzungswand 34 hinaus verhindert.
  • Wenn das innere Begrenzungselement 34b mechanischen Kontakt zum Unterstempel 20 hat, erzeugt, wie in 3 dargestellt, das weitere Zusammenfahren der Stempel 20, 30 eine Drucksteigerung im Inneren der Kammer des Oberstempels 30. Der erhöhte Druck wird durch die horizontale Verschiebung des inneren Begrenzungselements 34b nunmehr gegenüber dem Oberstempel 30 erzeugt, wobei eine hierdurch bewirkte Formänderung des Druckkissens 32 innerhalb der Begrenzungswand 34 einen in großen Bereichen variablen Sinterdruck auf die Baugruppe BG erzeugt.
  • Die Inkompressibilität des Druckkissens führt zur hydraulischen Kraftübersetzung. Das innere Begrenzungselement 34b wird mit vielfach höherer Kraft auf den Unterstempel 20 gepresst und in Richtung Oberstempel 30 gedrängt und dichtet daher, sodass kein weiteres Fließen des Druckkissens 32 stattfinden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (8)

  1. Sintervorrichtung (10) zum Sintern zumindest einer elektronischen Baugruppe (BG), mit einem Unterstempel (20) und einem gegen den Unterstempel (20) verfahrbaren Oberstempel (30) oder einem gegen den Oberstempel (30) verfahrbaren Unterstempel (20), wobei der Unterstempel (20) eine Auflage für die zu sinternde Baugruppe (BG) ausbildet und der Oberstempel (30) eine ein Druckkissen (32) zum Ausüben eines gegen den Unterstempel (20) gerichteten Drucks aufnehmende Aufnahme mit einer das Druckkissen (32) seitlich umgebenden Begrenzungswandung (34) aufweist, wobei die Begrenzungswandung (34) ein äußeres Begrenzungselement (34a) und ein vom äußeren Begrenzungselement (34a) benachbart umgebenes inneres Begrenzungselement (34b) aufweist, und wobei das innere Begrenzungselement (34b) gegen das äußere Begrenzungselement (34a) verschieblich und sich bei Einwirken eines in Richtung des Oberstempels (30) auf das Druckkissen (32) wirkenden Drucks in Richtung des Unterstempels (20) verschiebend gelagert ist, wobei nach einem Aufsetzen des inneren Begrenzungselements (34b) auf dem Unterstempel (20) das Druckkissen (32) in Richtung Unterstempel (20) verdrängbar ist.
  2. Sintervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckkissen (32) bei einer Bewegung des inneren Begrenzungselements (34a) in Richtung des Oberstempels (30) als Widerlager für das innere Begrenzungselement (34a) eingerichtet ist.
  3. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Begrenzungselement (34b) in Richtung des Unterstempels (20) über das äußere Begrenzungselement (34a) hinausragt.
  4. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Begrenzungselement (34b) aus einem oxydischen, polymeren oder metallischen Material gebildet ist.
  5. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere und das innere Begrenzungselement (34a, 34b) ringförmig ausgebildet sind.
  6. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckkissen (32) ein Silikon- oder Gummikissen ist.
  7. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterstempel (20) eine Vertiefung zur Aufnahme der zu sinternden Baugruppe (BG) oder einem Werkstückträger für mehrere Baugruppeaufweist.
  8. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennfolie zwischen Baugruppe (BG) und Oberstempel (30) angeordnet ist.
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