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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sinterpaste zum Bonden von Verbindungspartnern und ein Verfahren dafür, und sie betrifft insbesondere eine Sinterpaste, die Teilchen enthält, welche die Oxidschicht der Verbindungspartner unter dem Einfluss einer Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern mechanisch aufbrechen können.
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Das Verbinden metallischer Verbindungsflächen unter Verwendung des Sinterns von Silbersinterpasten unter einem Druck und einer Temperatur erfordert ausreichend freigelegte metallische Oberflächen. Für den Schutz vor einer Oxidation werden die Oberflächen mit Edelmetallbeschichtungen bedeckt. Beispielsweise wird Cu unter Verwendung von Schichtsystemen aus Ni/Au, Ag oder ähnlichen vertrauten Metallisierungssystemen vor einer Oxidation geschützt. Aluminium wird ebenso mit Ni/Au, Ni/Pd/Au, Ni/Ag oder ähnlichen vertrauten Metallisierungssystemen beschichtet. In manchen Fällen kann eine Oberfläche mit einer Tendenz zur Oxidation durch eine geeignete Behandlung vor dem Silbersinterprozess reduziert werden und dann innerhalb einer kurzen Zeit verarbeitet werden, bevor die Oxidschichtdicke wieder ein tolerierbares Niveau übersteigt.
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Es ist leider bis heute nicht möglich, weit verbreitet verwendete Metalle, wie beispielsweise Aluminium oder Aluminium-basierte Metalllegierungen, zu sintern, welche ohne eine Edelmetallbeschichtung eine sehr schnelle Oxidwachstumsrate aufweisen. Aluminium-basierte Schichten sind erstens eine sehr weit verbreitete Metallisierung für Kontaktflächen von Halbleitern, und Aluminium wird zweitens für DAB-Substrate (Direktaluminiumbond-Substrate) verwendet. In beiden Fällen wird die Lötbarkeit oder Sinterbarkeit durch die natürlichen Oxidschichten auf dem Aluminium stark beeinträchtigt. Zum Verbessern der Sinterbarkeit (oder um sie überhaupt möglich zu machen) werden die vorstehend erwähnten Metallisierungssysteme verwendet, sie haben jedoch auch einige Nachteile. Erstens führen die zusätzlichen Schichten zu Kosten, und zweitens sind diese Metallisierungssysteme nicht in allen Fällen verfügbar, weshalb die Verschiedenartigkeit eines sinterbaren Aluminiumbeschichteten Substrats oder von Halbleitern mit einer sinterbaren Oberflächenmetallisierung beschränkt ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um zumindest einen Aspekt der vorstehend erwähnten Nachteile im Stand der Technik zu überwinden oder abzumildern.
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Andere Verbindungsverfahren in der Art eines Ultraschallreibungsschweißens (beispielsweise im Fall eines Draht- oder Bandbondens) oder einer Adhäsion sind jedoch auf Aluminium leicht möglich und profitieren sogar von der Aluminiumoxidschicht. Im Fall des Aluminiumdrahtbondens wird beispielsweise infolge der Ultraschallbewegung und der Verformung der Verbindungspartner, die während des Bondprozesses stattfinden, das stark an dem reinen Metall haftende brüchige Aluminiumoxid aufgebrochen, und es wird während des Drahtbondprozesses entweder aus der Verbindungszone entfernt, oder es trägt in ähnlicher Weise zu den Teilchen in einer abrasiven Polierpaste bei, um freie metallische Oberflächen freizulegen, und es fördert dadurch die Verbindungsbildung zwischen den Verbindungsflächen.
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Ausgehend von dieser Beobachtung wird gemäß der Erfindung ein neuartiger Sinterprozess mit einer neuartigen Vorrichtung und einer neuartigen Sinterpaste vorgeschlagen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Sinterpaste für das Bonden von Verbindungspartnern vorgesehen, wobei die Sinterpaste Mittel zum mechanischen Aufbrechen einer auf einer Oberfläche wenigstens eines der Verbindungspartner gebildeten Oxidschicht unter dem Einfluss einer Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern enthält.
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Gemäß der vorstehenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die auf den metallischen Verbindungspartnern gebildete brüchige Oxidschicht durch die in der Sinterpaste enthaltenen Mittel unter dem Einfluss einer Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern aufgebrochen. Folglich werden genügend freie Metalloberflächen auf den Verbindungspartnern freigelegt, wodurch die Verbindungsbildung zwischen den Verbindungspartneroberflächen gefördert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum mechanischen Aufbrechen der Oxidschicht der Verbindungspartner erste Teilchen, die in der Sinterpaste enthalten sind. Auf diese Weise sind die in der Sinterpaste enthaltenen ersten Teilchen in der Lage, die auf den Verbindungspartnern gebildete Oxidschicht aufzubrechen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform haben die ersten Teilchen eine Härte, die größer oder gleich jener der Oxidschicht der Verbindungspartner ist. Weil die Härte der ersten Teilchen oberhalb jener der auf den Verbindungspartnern gebildeten Oxidschicht ist, ist es leicht, die auf den Verbindungspartnern gebildete Oxidschicht durch die harten ersten Teilchen aufzubrechen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Härte der harten ersten Teilchen im Bereich von 300 bis 10000 HV (Vickers-Härte) liegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform haben die ersten Teilchen eine Größe zwischen 10 nm und 10 Mikrometern. Auf diese Weise ist die Größe der harten ersten Teilchen gut an den Sinterprozess angepasst und in der Lage, die auf den Verbindungspartnern gebildete Oxidschicht wirksam aufzubrechen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die ersten Teilchen aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Quarz, Siliciumnitrid (SiN), Stahl, Eisen (Fe), Molybdän oder Nickel.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst wenigstens einer der Verbindungspartner Aluminium oder ein vorherrschend Aluminium enthaltendes Material.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die ersten Teilchen aus Keramikmaterialien.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Sinterpaste ferner zweite Teilchen, wobei die zweiten Teilchen aus Metallmaterialien bestehen und eine Härte aufweisen, die geringer als jene der ersten Teilchen ist. Die Metallteilchen sind in der Lage, zuverlässig an die freigelegten metallischen Verbindungsflächen der Verbindungspartner zu bonden, nachdem die Verbindungspartner mit der Sinterpaste gesintert wurden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Sinterpaste ferner ein organisches Lösungsmittel, das später verdampft und das restliche Volumen der Sinterpaste anfänglich füllt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die zweiten Teilchen aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Ag, Cu oder Zn.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Sinterpaste ferner zusätzliche Inhaltsstoffe zum Verzögern oder Verhindern der Oxidation der Verbindungspartner.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die zusätzlichen Inhaltsstoffe zum Schützen vor einer weiteren Oxidation oder zum Verzögern einer weiteren Oxidation solche Materialien wie ein Alkohol (beispielsweise Butanol oder Methanol) sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sinterpaste zwischen 5 und 50% erste Teilchen, 32–85% zweite Teilchen und 10–20% organische Zusatzstoffe.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bonden von Verbindungspartnern vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Sinterpaste nach einer der vorstehenden Ausführungsformen zwischen den Verbindungspartnern, Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern zum mechanischen Aufbrechen einer auf einer Oberfläche wenigstens eines der Verbindungspartner gebildeten Oxidschicht durch die in der Sinterpaste enthaltenen Mittel und Sintern der Verbindungspartner durch die Sinterpaste.
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Gemäß der vorstehenden Ausführungsform des Verfahrens wird die auf den metallischen Verbindungspartnern gebildete brüchige Oxidschicht durch die in der Sinterpaste enthaltenen Mittel unter dem Einfluss einer Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern mechanisch aufgebrochen. Folglich werden genügend freie Metalloberflächen auf den Verbindungspartnern freigelegt, wodurch die Verbindungsbildung zwischen den Verbindungspartneroberflächen gefördert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern erzeugt, indem wenigstens einer der Verbindungspartner Ultraschallenergie ausgesetzt wird. Auf diese Weise werden die harten Teilchen in der Sinterpaste während des Sinterprozesses durch Ultraschallschwingungen angeregt und können die auf den Verbindungspartnern gebildete brüchige Oxidschicht wirksam aufbrechen und dadurch einen Metall-Metall-Kontakt ermöglichen.
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Mit Ultraschallenergie und Ultraschallschwingungen ist die Verwendung von Schwingungen oberhalb des Bereichs des menschlichen Gehörs, d. h. oberhalb von 15–20 kHz, gemeint. Insbesondere können Frequenzen von bis zu 70 kHz verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Amplitude der Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern von der gleichen Größenordnung wie der Durchmesser der ersten in der Sinterpaste enthaltenen Teilchen. Weil die Amplitude der Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern an den Durchmesser der harten Teilchen angepasst ist, wird die Wirksamkeit des Aufbrechens der auf den Verbindungspartnern gebildeten Oxidschicht verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Temperatur und der Druck, die für das vollständige Sintern der Verbindungspartner erforderlich sind, nach Abschluss des Aufbrechens der Oxidschicht der Verbindungspartner auferlegt. Auf diese Weise werden nach Abschluss des Aufbrechens der Oxidschicht der Verbindungspartner genügend freie Metalloberflächen auf den Verbindungspartnern freigelegt, wodurch die Verbindungsbildung zwischen den Verbindungspartneroberflächen unter Verwendung der Sinterpaste gefördert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sinterpaste vor dem Aufbringen der Sinterpaste auf einen der Verbindungspartner vorgetrocknet, und die vorgetrocknete Sinterpaste wird in Form einer Vorform zwischen den Verbindungspartnern zugeführt. Folglich ist es nicht erforderlich, die Sinterpaste nach der Aufbringung zu trocknen, wodurch Zeit gespart wird und die Wirksamkeit verbessert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die vorgetrocknete Sinterpaste in mehrschichtiger Form gebildet, wobei die höchste Konzentration erster Teilchen in der Schicht gegeben ist, die der Oxidschicht der Verbindungspartner am nächsten liegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sinterpaste nach dem Aufbringen der Sinterpaste auf einen der Verbindungspartner und vor der Erzeugung der Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern getrocknet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Sinterpaste in einer mehrschichtigen Form auf einen der Verbindungspartner aufgebracht, wobei die höchste Konzentration der ersten Teilchen in der Schicht gegeben ist, die der Oxidschicht der Verbindungspartner am nächsten liegt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Sinterpaste durch Sieb- oder Schablonendruck, Strahldruck, Dispergieren oder Sprühen auf einen der Verbindungspartner aufgebracht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Sinterprozess, welcher die Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern aufweist, in einer die Oxidation verzögernden oder verhindernden Prozessatmosphäre ausgeführt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Prozessatmosphäre für das Verzögern oder Verhindern der Oxidation eine Stickstoffgasatmosphäre oder eine Ameisensäuregasatmosphäre.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen vorgesehen, welche eine Sinterpresse ist, wobei die Sinterpresse Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern, zwischen denen die Sinterpaste angeordnet ist, enthält, und wobei die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern einen Ultraschallgenerator und einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallenergie, die auf wenigstens einen der Verbindungspartner übertragen wird, umfassen.
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Mit der Vorrichtung gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann das vorstehende Verfahren wirksam ausgeführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung zwischen den Verbindungspartnern ferner Übertragungsmittel zum Übertragen der Ultraschallenergie auf den wenigstens einen der Verbindungspartner.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Vorrichtung und/oder die Verbindungspartner von einer die Oxidation verzögernden oder verhindernden Prozessatmosphäre umgeben.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verbindung vorgesehen, welche durch eine Sinterpaste gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen oder in einem Verfahren gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen oder unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen erzeugt wurde.
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Mit der Sinterpaste, dem Verfahren oder der Vorrichtung kann eine zuverlässige und wärmeleitende mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Verbindungspartnern erzeugt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Vorrichtung mit der vorstehenden Verbindung vorgesehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung einen Leistungshalbleiter.
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Die vorstehenden und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich werden, indem als Beispiel dienende Ausführungsformen davon mit Bezug auf die anliegenden Figuren detailliert beschrieben werden. Es zeigen:
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1 ein der Veranschaulichung dienendes mikroskopisches Strukturdiagramm einer Sinterpaste gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine der Veranschaulichung dienende Ansicht des Bereitstellens einer Sinterpastenschicht zwischen Verbindungspartnern,
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3 eine der Veranschaulichung dienende Ansicht des Aufbrechens einer auf den Verbindungspartnern gebildeten Oxidschicht durch die Sinterpastenschicht,
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die 4a–4g einige Schritte des Sinterns der Verbindungspartner gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung,
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die 5a–4f einige Schritte des Sinterns der Verbindungspartner gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung und
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6 ein Flussdiagramm zum Sintern der Verbindungspartner gemäß einigen als Beispiel dienenden Ausführungsformen.
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Als Beispiel dienende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend detailliert mit Bezug auf die anliegenden Figuren beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Elemente beziehen.
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Gemäß einem allgemeinen Konzept der vorliegenden Erfindung ist eine Sinterpaste mit Teilchen 32, die während des Sinterprozesses durch Ultraschallschwingungen des Sinterwerkzeugs 40 angeregt werden, in der Lage, eine brüchige Oxidschicht 12 aufzubrechen, die sich auf wenigstens einem der Verbindungspartner 10, 20 gebildet hat, und dadurch einen Metall-Metall-Kontakt zu ermöglichen.
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Die Sinterpaste, vorzugsweise eine Silbersinterpaste, umfasst harte Teilchen 32, die unter dem Einfluss von Ultraschallschwingungen abrasiv sind und die in der Form, der Oberfläche und der Größe an den nachstehend beschriebenen Sinterprozess angepasst sind.
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Alternative Sinterpasten könnten auf anderen Metallen, wie Kupfer oder Zink, beruhen.
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Ein Beispiel einer solchen Paste ist in 1 schematisch dargestellt. Hier sind harte Teilchen 32 und Metallteilchen 34 dargestellt. Das restliche Volumen wird anfänglich mit einem organischen Lösungsmittel (nicht dargestellt) gefüllt, das später verdampft.
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Die Härte der harten Teilchen 32 kann im Bereich von 300 bis 10000 HV (Vickers-Härte) liegen.
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Die harten Teilchen 32 können beispielsweise Teilchen umfassen, die aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen: Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Quarz, Siliciumnitrid (SiN), Stahl, Eisen (Fe), Molybdän oder Nickel.
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Ein Beispiel einer geeigneten Paste umfasst zwischen 5 und 50% harte Teilchen 32, 32–85% metallische Teilchen 34 und 10–20% organisches Material.
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Die Sinterpaste kann, zusätzlich zu den Metallteilchen und organischen Zusatzstoffen, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, auch Mittel zum Schützen vor einer weiteren Oxidation oder zur Verzögerung einer weiteren Oxidation enthalten. Die Mittel zum Schützen vor einer weiteren Oxidation oder zum Verzögern einer weiteren Oxidation können Materialien, wie ein Alkohol (beispielsweise Terpineol, Butanol oder Methanol), sein.
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Der Sinterprozess gemäß der Erfindung verwendet zusätzlich zur Temperatur und zum Druck das Einwirkenlassen einer Ultraschallschwingung auf die Verbindungsflächen. 2 zeigt eine Sinterpastenschicht 30 zwischen zwei Verbindungspartnern 10, 20. Die harten Teilchen 32 in der Paste sind in 2 dargestellt, und die Metallteilchen 34 sind darin nicht dargestellt. Der untere Verbindungspartner, der Verbindungspartner 10 (auch als JP1 bezeichnet) weist eine Oxidschicht 12 auf seiner oberen Fläche, hier in Kontakt mit der Pastenschicht 30, auf. Diese Oxidschicht 12 ist fest am Verbindungspartner 10 angebracht.
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Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform weist der obere Verbindungspartner, der Verbindungspartner 20 (auch als JP2 bezeichnet) keine erhebliche Oxidschicht auf seiner unteren Fläche, hier in Kontakt mit der Pastenschicht 30, auf. Es ist jedoch zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in 2 dargestellte Ausführungsform beschränkt ist, und dass der untere Verbindungspartner eine Oxidschicht auf seiner unteren Fläche aufweisen kann und dass die Oxidschicht fest an dem Verbindungspartner angebracht ist.
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Zu Beginn des Verbindungsprozesses wirken Ultraschallschwingungen auf die Verbindungspartner 10, 20, die noch nicht fest miteinander verbunden sind, und sie gewährleisten dank der Relativbewegung der Verbindungspartner 10, 20 und durch die harten Teilchen 32 in der dazwischen angeordneten Sinterpastenschicht 30 das Aufbrechen der Oxidschichten 12, wodurch die Anzahl der harten Teilchen 32 in der Sinterpaste sogar noch weiter erhöht werden kann. 3 zeigt dieselbe Verbindung am Ende des Ultraschallschwingungsschritts. Hier ist ersichtlich, dass die Oxidschicht 12 nicht mehr kontinuierlich ermöglicht, dass die Sinterpaste die reine metallische Oberfläche des Verbindungspartners 10 direkt kontaktiert. Zusätzlich ist nun ersichtlich, dass Abschnitte der Oxidschicht 12 über die Pastenschicht 30 verteilt sind.
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Unter dem Einfluss des weiteren Einwirkens von Druck und Temperatur gemäß dem Stand der Technik können die auf diese Weise freigelegten Oberflächen der reinen metallischen Verbindungspartner mit der Sinterpaste reagieren, wobei eine fest gebondete und wärme- und elektrisch leitende Verbindung gebildet wird. In diesem Fall ist es unwichtig, dass die harten Teilchen und die Teile der aufgebrochenen Oxidoberfläche permanent in der gesinterten Paste und damit zwischen den verbundenen Verbindungspartnern bleiben. Es ist ebenso unwichtig, wenn die Oberflächen der Verbindungspartner nicht vollständig von Oxidbeschichtungen befreit werden, vorausgesetzt dass ausreichend große Flächenanteile gesintert werden. Weil die Flächen, die zu verbinden sind, und das Verbindungsmaterial selbst nach dem Sintern nicht mehr aktiv sind, stellen die Oxidteilchen keine Gefahr dar.
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Eine besonders vorteilhafte Variante einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sinterpaste ist für das Sintern von Aluminium oder einer vorherrschend Aluminium enthaltenden Metallisierung von Leistungshalbleitern vorgesehen. Die Paste enthält Teilchen aus Aluminiumoxid und wird entweder in Pastenform auf die Verbindungsflächen des Halbleiters oder eines Verbindungspartners davon aufgebracht (optional ein Band, einen metallischen Formkörper oder dergleichen), oder sie wird in Form einer mit Teilchen angereicherten Paste zugeführt, die zu einem Film (Vorform) vorverarbeitet ist. Im Fall der Aufbringung in einer pastenartigen Form hat sich ein Trocknen mit einem Entgasen flüchtiger, organischer Komponenten als vorteilhaft erwiesen.
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Der Sinterprozess gemäß dieser als Beispiel dienenden Ausführungsform weist nun die Verwendung von Ultraschallschwingungen auf.
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Eine Vorrichtung, welche Sinterstempel aufnimmt, wird als Teil des Sinterprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Folgendes wird zwischen den Sinterstempeln angeordnet:
- • der Aluminium-metallisierte Leistungshalbleiter (Verbindungspartner 10),
- • die vorgetrocknete Sinterpaste (Verbindungsmaterial), die mit Aluminiumoxidteilchen (harten Teilchen 32) angereichert ist,
- • der Verbindungspartner 20 und
- • optional andere Verbindungsmaterialien und Verbindungspartner.
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Die Sinterstempel werden dann gemeinsam geschlossen.
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Zuerst wird unter einem leichten Kompaktierungsdruck F0 (siehe 4e) Ultraschallenergie, welche die Verbindungspartner 10, 20 zu einer Relativbewegung anregt, auf die Sinterstempel 40 angewendet. Die Amplitude der Ultraschallschwingung wird so dimensioniert, dass eine Relativbewegung der Verbindungspartner 10, 20 mit einer Amplitude zwischen etwa 10 nm und einigen Mikrometern erfolgt. Unter der Wirkung der Relativbewegung wirken die Oxidteilchen 32 (mit einem Durchmesser in der gleichen Größenordnung wie die Amplitude der Relativbewegung) wie ein Schleifmittel und brechen die natürliche Oxidschicht 12 (siehe 2–3) auf dem Verbindungspartner 10 auf und setzen reines metallisches Aluminium frei. Nach Abschluss der Reinigungswirkung der Ultraschallschwingung erfolgt das Sintern der reinen Aluminiumoberfläche unter dem Einwirken einer Temperatur (zum Fördern der Interdiffusion) und eines höheren Drucks F (siehe 4f), um eine niedrige Porosität der Sinterpaste zu erreichen. Diese abschließende vollständige Sinterstufe würde typischerweise einen Druck von bis zu 40 MPa und eine Temperatur zwischen 150°C und 350°C verwenden. Die Erfindung kann jedoch auch auf ein so genanntes ”druckfreies” oder ”Niederdruck”-Sintern angewendet werden, wobei ein erheblich niedrigerer Druck verwendet wird.
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Es kann erforderlich sein, einen Zusatzstoff zur Sinterpaste hinzuzufügen, um die erneute Oxidation der Aluminiumoberfläche zu verzögern, oder den Prozess in einer Schutzgasatmosphäre ablaufen zu lassen. Beispiele des Zusatzstoffs zum Schützen vor einer weiteren Oxidation oder zum Verzögern einer weiteren Oxidation können solche Materialien wie Terpineol oder Alkohol (beispielsweise Butanol oder Methanol) sein. Beispiele von Schutzgasatmosphären können Stickstoff oder Ameisensäure sein.
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Die 4a–4g zeigen einige der an der vorstehenden Ausführungsform beteiligten Schritte.
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4a zeigt den Verbindungspartner 10.
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4b zeigt eine auf die obere Fläche des Verbindungspartners 10 aufgebrachte Pastenschicht 30. Die Aufbringung der Pastenschicht 30 kann durch mehrere verschiedene Verfahren, beispielsweise unter Verwendung eines Stifts oder durch Sprühen, erfolgen.
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4c zeigt das Trocknen der Paste zur Bildung einer trockenen Sinterschicht 30.
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4d zeigt die Aufbringung des Verbindungspartners 20 auf die Sinterschicht 30.
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4e zeigt die Situation, in der die Einheit, welche die beiden Verbindungspartner 10, 20 und die Sinterschicht 30 zwischen ihnen umfasst, in eine Presse 40 gegeben wird, wo eine Relativbewegung bei Ultraschallfrequenzen ermöglicht wird. Dieser Schritt kann auch die Anwendung von Licht oder einem starken Druck F0 und auch die Anwendung einer erhöhten Temperatur aufweisen.
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4f zeigt die Anwendung eines vollständigen Sinterdrucks F und einer Temperatur zum Ermöglichen des vollständigen Sinterns der Sinterschicht 30.
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4g zeigt die fertige Verbindung.
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Die 5a–5f zeigen eine leicht modifizierte Version des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Die Schritte entsprechen grob jenen, die in 4 dargestellt sind, es wird jedoch in 5b eine Vorform 30' verwendet, statt dass eine Paste aufgebracht und dann getrocknet wird. Eine solche Vorform 30' ist eine Pastenschicht, die zuvor gebildet und getrocknet wurde, so dass sie einen Film oder eine Platte bildet, die zwischen den beiden Verbindungspartnern 10, 20 in Position bewegt werden kann. Das Verfahren läuft von diesem Punkt an ähnlich ab wie der vorstehend in 4 beschriebene Prozess.
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6 zeigt ein Flussdiagramm für als Beispiel dienende Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, worin auch eine Anzahl alternativer Schritte dargestellt ist.
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In Schritt 1 wird der Verbindungspartner 10 (in 6 als JP1 bezeichnet) präpariert.
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In Schritt 2 wird eine Sinterpastenschicht 30, welche harte Teilchen 32 umfasst, wie vorstehend erörtert, auf den Verbindungspartner 10 aufgebracht. Diese könnte als eine Einzelschicht aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, zwei oder mehr Pastenschichten aufzubringen, und zwar eine nach der anderen. Auf diese Weise ist es möglich, eine geschichtete Sinterpastenstruktur zu bilden, bei der die Schicht, die dem Verbindungspartner am nächsten liegt, eine größere Konzentration harter Teilchen aufweist als die weiter entfernten Schichten. Auf diese Weise wird der Anteil harter Teilchen in der Sinterschicht im Allgemeinen verglichen mit dem Fall, bei dem die gesamte Pastenschicht harte Teilchen enthält, verringert. Dies ist in manchen Situationen ein Vorteil, weil das Vorhandensein harter Teilchen die Homogenität der Pastenschicht verringern kann, wodurch eine nicht optimale Verbindung erzeugt wird.
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In Schritt 3 wird die Pastenschicht 30 getrocknet. Dieser Schritt ist optional, weil es in manchen Fällen vorteilhaft sein kann, beim Ultraschallschwingungsschritt eine nasse Paste zu haben. Beispielsweise können einige Zusatzstoffe, die dafür ausgelegt sind, vor einer weiteren Oxidation zu schützen oder eine weitere Oxidation zu verzögern, in einer nassen Paste besser funktionieren. Falls ein Gas, wie vorstehend beschrieben, verwendet wird, wenn die Verbindungspartner einer Ultraschallschwingung ausgesetzt werden, ist es nicht erforderlich, eine nasse Paste mit Oxidationshemmern zu haben.
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Wie vorstehend erörtert wurde, kann die Verwendung der Vorform 30' an Stelle der Schritte 2 und 3 verwendet werden, wie durch Schritt 10 dargestellt ist. Ähnlich der mehrschichtigen Paste kann auch die Vorform in einer mehrschichtigen Form mit einer hohen Konzentration harter Teilchen in der Seite der Vorform, welche an den Verbindungspartner angrenzen wird, gebildet werden. Alternativ können mehrere Vorformen gestapelt werden, wobei jede unterschiedliche Konzentrationen harter Teilchen enthält, um das gleiche Ergebnis zu erreichen.
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In Schritt 4 wird der Verbindungspartner 20 auf der Seite der Sinterschicht 30 entgegengesetzt zum Verbindungspartner 10 angeordnet. Die Pastenschicht 30 kann an dieser Stufe eine Dicke zwischen 10 μm und 100 μm und eine Porosität von etwa 50% aufweisen.
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In Schritt 5 werden die beiden Verbindungspartner 10, 20 in eine Ultraschallschwingung in Bezug zueinander bei einer Anwendung von Druck (Schritt 6) oder einer erhöhten Temperatur (Schritt 7) oder ohne diese versetzt. Ein solcher Prozess kann vorteilhaft einige Millisekunden bis einige Sekunden in Anspruch nehmen. Falls die Paste an diesem Punkt im Verfahren nass ist, kann in Schritt 8 eine Trocknung erfolgen.
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In Schritt 9 wird ein vollständiger Sinterprozess in einer Sinterpresse unter Ausübung eines Drucks F ausgeführt (siehe 4f). Nach Abschluss dieses Prozesses wird die Porosität auf 30 bis 40% verringert und liegt die Dicke zwischen 3 und 50 μm.
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Es sollte Fachleuten verständlich sein, dass die vorstehenden Ausführungsformen als erläuternd und nicht einschränkend vorgesehen sind. Beispielsweise können Fachleute viele Modifikationen an den vorstehenden Ausführungsformen vornehmen, und verschiedene in verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale können frei miteinander kombiniert werden, ohne in Konflikt mit der Konfiguration oder dem Prinzip zu geraten.
