DE102015120156A1 - Vorrichtung zur materialschlüssigen Verbindung von Verbindungspartnern eines Leistungselekronik-Bauteils - Google Patents

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgebildet mit einem ein elastisches Kissenelement aufweisenden Pressstempel zur materialschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartnern eines Leistungselektronik-Bauteils, wobei das elastische Kissenelement des Pressstempels von einem formstabilen Rahmen umgeben ist, innerhalb welchem das Kissenelement und ein Führungsteil des Pressstempels derart linear beweglich geführt werden, dass sich der formstabile Rahmen auf den ersten Verbindungspartner oder einen Werkstückträger mit darin angeordnetem ersten Verbindungspartner, absenkt und nach Anliegen an diesem der Presstempel samt elastischem Kissenelement auf den zweiten Verbindungspartner abgesenkt wird und das elastische Kissen ein notwendiger Druck ausgeübt wird um den ersten mit dem zweiten Verbindungspartner zu verbinden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem ein elastisches Kissenelement aufweisenden Pressstempel zur materialschlüssigen Verbindung, insbesondere Drucksinterverbindung, von Verbindungspartnern eines Leistungselektronik-Bauteils, insbesondere eines Leistungshalbleitermoduls.
  • Aus der 10 2007 006 706 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Substrat, mit auf einer Hauptfläche dieses Substrats angeordneten Leiterbahnen, mindestens einem mit seiner ersten Hauptfläche auf einer ersten Leiterbahn angeordnetem Halbleiterbauelement, einer elektrisch leitfähigen Verbindungseinrichtung zu mindestens einer Kontaktfläche der zweiten Hauptfläche des Halbleiterbauelement bekannt. Hierbei ist die Verbindungseinrichtung als Folienverbund aus mindestens einer, vorzugsweise mindestens zwei metallischen und einer, zwischen den metallischen Folien angeordneten, isolierenden Folie ausgebildet.
  • Aus der DE 10 2005 058 794 A1 ist eine Vorrichtung und ein getaktetes Verfahren zur Drucksinterverbindung von einer Mehrzahl von chipförmigen Bauelementen mit Leiterbahnen eines Substrats bekannt. Hierzu weist die Vorrichtung eine Pressvorrichtung, ein Transportband und eine weitere Vorrichtung zur Abdeckung des Substrats mit einer Schutzfolie auf. Hierbei ist die Pressvorrichtung für den getakteten Betrieb geeignet, weist einen Pressstempel und einen beheizbaren Presstisch auf. Das Transportband ist ausreichend druckstabil und direkt oberhalb des Presstischs verlaufend angeordnet. Die Schutzfolie ist zwischen dem Substrat mit den hierauf angeordneten Bauelementen und dem Pressstempel angeordnet. Während des getakteten Verfahrens wird die Oberseite des Substrats mit der Schutzfolie bedeckt und anschließend der Drucksintervorgang gestartet.
  • Mit einer fachüblichen Pressvorrichtung zur Herstellung von Drucksinterverbindungen können neben im wesentlichen planaren Bauelementen wie Leistungshalbleiterbauelementen auch ebenflächige Anschlüsse gesintert werden. Das Sintern abgewinkelter Anschlüsse ist nur beschränkt möglich. Daraus resultieren Einschränkungen bezüglich der Geometrie der Anschlusselemente. Sind mehrere Verbindungspartner vorhanden, dann müssen diese mit den bekannten Sinterpressen aufeinanderfolgend gesintert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch für Anschlüsse jeder beliebigen Geometrie, d.h. auch für nicht ebenflächige, Anschlüsse geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Verwendung dieser Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgebildet mit einem ein elastisches Kissenelement aufweisenden Pressstempel zur materialschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner eines Leistungselektronik-Bauteils, wobei das elastische Kissenelement des Pressstempels von einem formstabilen Rahmen umgeben ist, innerhalb welchem das Kissenelement und ein Führungsteil des Pressstempels derart linear beweglich geführt werden, dass sich der formstabile Rahmen auf den ersten Verbindungspartner oder einen Werkstückträger mit darin angeordnetem ersten Verbindungspartner, absenkt und nach Anliegen an diesem der Presstempel samt elastischem Kissenelement auf den zweiten Verbindungspartner abgesenkt wird und das elastische Kissenelememt ein notwendigen Druck ausübt, um den ersten mit dem zweiten Verbindungspartner zu verbinden.
  • Es ist bevorzugt, wenn zwischen dem Pressstempel und dem Rahmen eine Federung vorgesehen ist. Hierbei wird der Rahmen und der Pressstempel gemeinsam abgesenkt. Bei Aufliegen des Rahmens kann dann der Pressstempel weiter abgesenkt werden, wobei der Rahmen mittels der Federung auf den zweiten Verbindungspartner oder den Werkstückträger gedrückt wird. Alternativ kann der Pressstempel eine von dem Rahmen unabhängig wirkende Absenkeinrichtung aufweisen. Hierbei wird der Rahmen auf den zweiten Verbindungspartner oder den Werkstückträger abgesenkt, bevor der Presstempel auf den zweiten Verbindungspartner abgesenkt wird.
  • Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Stirnfläche des elastischen Kissenelementes im inaktiven Ruhezustand des Pressstempels gegen einen Auflagestirnrand des Rahmens zur Auflage auf dem ersten Verbindungspartner geringfügig zurückversetzt ist. Hierbei kann der Auflagestirnrand des Rahmens eine ebene Auflagefläche bestimmend glatt ausgebildet sein.
  • Es können vom Rahmen Führungssäulenelemente wegstehen, die sich durch Führungslöcher des Pressstempels beweglich geführt hindurch erstrecken.
  • Grundsätzlich bevorzugt ist es, wenn der Pressstempel beheizbar ist.
  • Fachüblich und bevorzugt ist es, wenn der Pressstempel mit einem Gegenstempelelement, der als Werkstückträger ausgebildet sein kann, kombiniert ist, zwischen welchem das Leistungselektronik-Bauteil, insbesondere der erste und zweite Verbindungspartnern angeordnet sind. Es kann bevorzugt sein, wenn das Gegenstempelelement beheizbar ist.
  • Weiterhin kann es bevorzugt sein, wenn der Pressstempel und/oder das Gegenstempelelement mit Ultraschallenergie beaufschlagt werden können.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kissenelement aus dem Werkstoff Silikon besteht und eine Shore-A Härte zwischen 25 und 100, insbesondere zwischen 50 und 75, aufweist. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn das Silikon durch metallische Zusätze, insbesondere Eisen, Eisenverbindungen, insbesondere Eisenoxid, stabilisiert wird und somit bei Temperaturen von mehr als 175°C, insbesondere von mehr als 210°C und Drücken zwischen 10 und 40MPa eingesetzt werden kann.
  • Insbesondere durch diese Ausgestaltung des Kissenelements in Kombination mit dem Rahmenelement erfolgt die Druckeinleitung quasihydrostatisch, da das Silikon unter Druck ein Fließverhalten zeigt das mit einer zähen Flüssigkeit vergleichbar ist. Diese quasihydrostatische Druckverteilung auf alle Oberflächen bewirkt eine sehr materialschonende Herstellung einer Drucksinterverbindung.
  • Vorzugsweise ist während des Pressvorgangs zwischen dem Kissenelement und dem Leistungselektronik-Bauteil eine nicht anhaftende Kunststofffolie, insbesondere eine PTFE Folie, mit einer Dicke zwischen 25µm und 200µm, insbesondere zwischen 50µm und 100µm, angeordnet.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung der Vorrichtung gestattet die materialschlüssige Verbindung, insbesondere Drucksinterverbindung, mindestens eines Substrates mit einem Kühlkörper und/oder mindestens eines Leistungshalbeiterbauelementes mit einem Substrat und/oder mindestens eines Anschlusselementes mit einem Substrat oder einem Leistungshalbleiterbauelement und/oder eines Folienverbunds mit Leistungshalbleiterbauelementen und/oder einem Substrat.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale auch mehrfach in der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung vorhanden sein.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen sich nicht per se ausschließenden Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale, unabhängig ob sie im Rahmen der Vorrichtung oder deren Verwendung genannt sind, nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
  • 1 zeigt in dreidimensionaler Darstellung eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • 2 und 3 zeigen in vereinfachter Darstellung eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei unterschiedlichen Leistungselektronik-Bauteilen
  • Die 1 zeigt in dreidimensionaler Darstellung eine erste Ausgestaltung der Vorrichtung 10 mit einem Pressstempel 12 und einem Gegenstempelelement 14. Der Pressstempel 12 ist gegen das Gegenstempelelement 14 bewegbar. Das ist durch den Pfeil 16 angedeutet.
  • Der Pressstempel 12 weist eine Pressplatte 18 und ein Führungsteil 20 auf. Das Führungsteil 20 kann mit der Pressplatte 18 materialeinstückig oder form- und/oder kraftschlüssig verbunden sein.
  • Der Pressstempel 12 weist weiterhin ein elastisches Kissenelement 22 auf. Das Kissenelement 22 weist hierbei dieselbe Querschnittsfläche wie das Führungsteil 20 des Pressstempels 12 auf.
  • Das elastische Kissenelement 22 ist von einem formstabilen Rahmen 24 umgeben, innerhalb welchem das elastische Kissenelement 22 und das Führungsteil 20 des Pressstempels 12 linear beweglich geführt vorgesehen sind.
  • Zwischen dem Pressstempel 12 und dem das Kissenelement 22 umgebenden Rahmen 24 ist eine Federung 26 vorgesehen. Die Federung 26 ist von Schraubendruckfedern gebildet, die um Führungssäulenelemente 30 herum vorgesehen sind. Die Führungssäulenelemente 30 stehen vom formstabilen Rahmen 24 weg und erstrecken sich durch Führungslöcher 32 hindurch, die in der Pressplatte 18 des Pressstempels 12 ausgebildet sind.
  • Mit der Bezugsziffer 40 ist ein Leistungselektronik-Bauteil, insbesondere ein Teil eines Leistungshalbleitermoduls, bezeichnet, das ein Substrat 42 vgl. 2 oder 3, beispielsweise ein DCB (Direct Copper Bonding) Substrat aufweist. An der einen Oberseite des Substrates 42 ist eine schaltstrukturierte Metallschicht 50 vorgesehen. An der schaltstrukturierten Metallschicht 50 können Leistungshalbleiterbauelemente 44, vgl. 2 oder 3, vorgesehen sein. Die Leistungshalbleiterbauelemente können bspw. mittels eines Folienverbundes gemäß 3 elektrisch leitend verbunden sein.
  • Mit der Bezugsziffer 52 sind Anschlusselemente des Leistungselektronik-Bauteils, insbesondere Leistungshalbleitermoduls 40, bezeichnet.
  • Der Auflagestirnrand 34 des formstabilen Rahmens 24 kann mit Aussparungen ausgebildet sein, durch welche die Anschlusselemente 52 sich hindurch seitlich nach außen erstrecken. Eine andere, bevorzugte Möglichkeit besteht jedoch darin, dass der Auflagestirnrand 34 des formstabilen Rahmens 24 glatt, d.h. ohne Aussparungen ausgebildet ist, um eine ebene Auflagefläche zu bestimmen. Bei einer solchen Ausbildung der zuletzt genannten Art ist das Gegenstempelelement 14, hier ausgebildet als ein Werkstückträger, zweckmäßigerweise mit einer Aufnahme 56 für das Substrat 40 und mit Rahmenelementen 58 kombiniert, welche zum temporären Festhalten des Substrates 42 vorgesehen sind und welche die ebene Auflagefläche 54 mit definieren. Die Rahmenelemente 58 sind hierbei mit Aussparungen 60 für die Anschlusselemente 52 ausgebildet.
  • Die Aufnahme 56 ist mit Heizkanälen 64 ausgebildet, um diese beheizen zu können, um damit die verschiedenen Verbindungspartner, wie sie weiter oben beispielshaft erwähnt worden sind, miteinander durch Drucksintern in einem einzigen Verfahrensschritt elektrisch leitend zu verbinden.
  • 2 und 3 zeigen in vereinfachter Darstellung eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit zwei unterschiedlichen Leistungselektronik-Bauteilen.
  • Dargestellt ist ein Werkstückträger, oder allgemeiner ein Gegenstempelelement 14, in dessen Aufnahme 56 ein Leistungselektronik-Bauteil 40, hier ein Substrat 42 eines Leistungshalbleitermoduls eingelegt ist. Dieses Substrat 42 weist an seiner zweiten, dem Werkstückträger abgewandten Seite eine strukturierte Metallschicht 50 auf. Diese bildet die Leiterbahnen des Leistungshalbleitermoduls aus. Auf diesen Leiterbahnen sind Leistungshalbleiterbauelemente 44 angeordnet.
  • Das Substrat 42, genauer dessen Leiterbahnen bilden den ersten Verbindungspartner aus, der mittels eine Drucksinterverbindung mit dem zweiten Verbindungspartner den Leistungshalbleiterbauelementen 44 verbunden werden soll. Hierzu weisen die Verbindungspartner Verbindungsflächen mit sinterbaren Oberflächen auf. Zudem ist zwischen den Verbindungspartnern bzw. deren Verbindungsflächen eine nicht dargestellte Schicht eines Sintermetalls im ungesinterten Zustand angeordnet.
  • In 2 ist weiterhin ein formstabiler Rahmen 24 dargestellt, der auf den ersten Verbindungspartner, hier das Substrat 42 absenkbar ist, wobei hier der Druck 46 auf das Substrat um mehrere Größenordnungen unterhalb des Drucks 48 zur Ausbildung der Sinterverbindung liegt, dargestellt durch die unterschiedliche Größe der den Druck repräsentierenden Pfeile. Hierbei wird eine nicht an dem Leistungselektronik-Bauteil 40 anhaftende Kunststofffolie 28, hier eine PTFE Folie, mit einer Dicke von ca. 60µm auf der Oberfläche des Substrats 42 samt Leistungshalbleiterbauelementen 44 angeordnet. Sobald der Rahmen 24 auf dem Substrat 42 aufliegt kann der Presstempel 12 samt Kissenelement 22 abgesenkt werden und der zur Ausbildung der Drucksinterverbindung auf die zweiten Verbindungspartner notwenige Druck von in dieser Ausbildung ca. 25MPa eingeleitet werden. Zwischenzeitlich wurde der Werkstückträger und damit das Substrat 42 und die Leistungshalbleiterbauelemente 44 auf ca. 210°C erhitzt, was der zugigen Ausbildung der Drucksinterverbindung dient.
  • Das Kissenelement 22 ist hierbei ausgebildet als ein Silikonkissen mit einer Shore-A Härte von ca. 55, das durch Zusatz von Eisen und Eisenoxid stabilisiert ist. Der Rahmen dient hier der seitlichen Abgrenzung desjenigen Raumes, in dem der quasihydrostatische Druck den das Silikonkissen auf alle seine Oberflächen ausübt.
  • 3 zeigt als Teil eines Leistungselektronik-Bauteils 40 ein Substrat 42 mit Leiterbahnen und Leistungshalbleiterbauelementen 44. Diese sollen schaltungsgerecht mittels eines fachüblichen Folienverbundes 62 miteinander und mit den Leiterbahnen verbunden werden. Die zweite Ausgestaltung der Vorrichtung 10 ist hier dargestellt in einer Phase der Ausführung der Verwendung, bei der der Rahmen 24 bereits auf das Substrat 42 abgesenkt wurde und in einem nächsten Schritt der Presstempel 12 samt Kissenelement 22 abgesenkt werden wird. Auf eine Darstellung der auch hier bevorzugten PTFE Folie, vgl. 2, wurde hier verzichtet.
  • Die Verbindung des Folienverbunds 62 mit dem Substrat 42 bzw. den Leistungshalbleiterbauelement 44 erfolgt grundsätzlich wie oben bei 2 für die Leistungshalbleiterbauelemente 44 beschrieben. Zusätzlich ist hier in bevorzugter, nicht allgemein notwendiger Weise eine Schutzschicht unterhalb des Folienverbunds 62, die Leistungshalbleiterbauelemente 44 umgebend angeordnet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005058794 A1 [0003]

Claims (14)

  1. Vorrichtung mit einem ein elastisches Kissenelement (23) aufweisenden Pressstempel (12) zur materialschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner eines Leistungselektronik-Bauteils, wobei das elastische Kissenelement (22) des Pressstempels (12) von einem formstabilen Rahmen (24) umgeben ist, innerhalb welchem das Kissenelement (22) und ein Führungsteil (20) des Pressstempels (12) derart linear beweglich geführt werden, dass sich der formstabile Rahmen auf den ersten Verbindungspartner oder einen Werkstückträger mit darin angeordnetem ersten Verbindungspartner, absenkt und nach Anliegen an diesem der Presstempel samt elastischem Kissenelement auf den zweiten Verbindungspartner abgesenkt wird und das elastische Kissenelement den notwendiger Druck ausübt, um den ersten mit dem zweiten Verbindungspartner zu verbinden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Pressstempel (12) und dem Rahmen (24) eine Federung (26) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Pressstempel (12) eine von dem Rahmen (24) unabhängig wirkende Absenkeinrichtung aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stirnfläche (36) des elastischen Kissenelementes (22) im inaktiven Ruhezustand des Pressstempels (12) gegen einen Auflagestirnrand (34) des Rahmens (24) zur Auflage auf dem ersten Verbindungspartner geringfügig zurückversetzt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Auflagestirnrand (34) des Rahmens (24) eine ebene Auflagefläche (54) bestimmend glatt ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vom Rahmen (24) Führungssäulenelemente (30) wegstehen, die sich durch Führungslöcher (32) des Pressstempels (12) beweglich geführt hindurch erstrecken.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pressstempel (12) beheizbar ist
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pressstempel (12) mit einem Gegenstempelelement (14) kombiniert ist, zwischen welchem das Leistungselektronik-Bauteil, insbesondere der erste und zweite Verbindungspartnern, angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Gegenstempelelement (14) beheizbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pressstempel (12) und/oder das Gegenstempelelement (14) mit Ultraschallenergie beaufschlagt wird.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kissenelement (22) aus dem Werkstoff Silikon besteht und eine Shore-A Härte zwischen 25 und 100, insbesondere zwischen 50 und 75, aufweist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Silikon durch metallische Zusätze, insbesondere Eisen, Eisenverbindungen, insbesondere Eisenoxid, stabilisiert wird und somit bei Temperaturen von mehr als 175°C, insbesondere von mehr als 210°C und Drücken zwischen 10 und 40MPa eingesetzt werden kann.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Pressvorgangs zwischen dem Kissenelement und dem Leistungselektronik-Bauteil eine nicht anhaftende Kunststofffolie (28), insbesondere eine PTFE Folie, mit einer Dicke zwischen 25µm und 200µm, insbesondere zwischen 50µm und 100µm, angeordnet ist.
  14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur materialschlüssigen Verbindung, insbesondere Drucksinterverbindung, mindestens eines Substrates (42) mit einem Kühlkörper und/oder mindestens eines Leistungshalbeiterbauelementes mit einem Substrat (42) und/oder mindestens eines Anschlusselementes (52) mit einem Substrat (42) oder einem Leistungshalbleiterbauelement und/oder eines Folienverbunds (62) mit Leistungshalbleiterbauelementen (44) und/oder einem Substrat (42).
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