DE102017116372B3

DE102017116372B3 - Drucksinterverfahren und Druckübertragungseinrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102017116372B3
Application number: DE102017116372.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Sagebaum; Peter Stöcklein; Harald Kobolla
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: CN109285790A; CN109285790B

Abstract

Vorgestellt wird eine Druckübertragungseinrichtung, die ausgebildet ist aus einem, insbesondere unter Druck einer Sinterpresse, elastischem Material und vorgesehen zur Anordnung zwischen einem Druckstempel einer Sinterpresse und einem Werkstück und einem hierauf angeordneten ersten Verbindungspartner, wobei zwischen dem Werkstück und dem ersten Verbindungspartner ein Sinterstoff oder ein Sintermetall angeordnet ist, wobei eine Baugruppe aus dem Werkstück, aus dem Sinterstoff oder dem Sintermetall und aus dem ersten Verbindungspartner, eine erste Oberflächenkontur aufweisen, wobei die Druckübertragungseinrichtung dazu ausgebildet ist den ersten Verbindungspartner allseits zu überragen, und auf ihrer der Baugruppe zugewandten Seite eine zweite Oberfläche mit einer zweiten Oberflächenkontur aufzuweisen, die einem Negativ der ersten Oberflächenkontur entspricht. Ebenfalls vorgestellt werden zwei Verfahren zur Anwendung dieser Druckübertragungseinrichtung.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Druckübertragungseinrichtung zur Anordnung zwischen einem Druckstempel, einer Sinterpresse und einem Werkstück mit einem hierauf angeordneten und stoffschlüssig zu verbindenden Verbindungspartner.
Aus dem bekannten Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der DE 10 2015 120 156 A1 , ist eine Vorrichtung bekannt, die ausgebildet ist 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 auf das elastische Kissen ein notwendiger Druck ausgeübt wird, um den ersten mit dem zweiten Verbindungspartner zu verbinden.
Nachteilig an derartigen Vorrichtungen ist es, dass das elastische Kissenelement an Kanten oder Vertiefungen während des Pressverfahrens minimale Beschädigungen erfährt, die nach einer gewissen Anzahl von Durchläufen des Pressverfahrens einen Wechsel des Kissenelements erfordert.
Die DE 10 2010 020 696 B4 offenbart ein Verfahren zum NTV-Sintern eines dreidimensionale Konturen aufweisenden Halbleiterbauelementes für die Leistungselektronik unter dem eine Sinterschicht vorgesehen ist, durch Aufbringen von Temperatur und Druck unter Erreichen von Sinterbedingungen auf einem Substrat, wobei Form- und Lagetoleranzen der Halbleiterbauelementstruktur durch ein plastisch verformbares Material ausgeglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Oberstempel aus temperaturbeständigem Kunststoff vor einem ersten Sintervorgang unter einer thermoplastische Verformung erlaubenden Temperatur zur Erzeugung einer Negativkontur auf die Konturen des Halbleiterbauelementes und ihn umgebende Baugruppen-Strukturen aufgepresst wird; der/die Oberstempel auf die Maße der Konturen des Halbleiterbauelementes und der Baugruppe thermisch gedehnt wird, indem er vor dem Sintern annähernd auf Sintertemperatur aufgeheizt wird, mit dem/den Oberstempel(n) der Sinterdruck mit Sintertemperatur ohne Formveränderung der Baugruppen-Strukturen aufgrund der erfolgten Anpassung des Oberstempels an die vertikalen Verläufe des Stanzgitters gegen einen Unterstempel hinter dem Substrat aufgebracht wird.
Die US 4 903 885 A offenbart ein Verfahren zum Befestigen von elektronischen Bauelementen, insbesondere großflächigen Leistungshalbleitern, auf Substraten durch Drucksintern, bei dem eine aus einem Metallpulver und einem Lösungsmittel bestehende Paste auf einer mit einer Kontaktierungsschicht versehenen Grenzfläche eines Bauelements und/oder auf einer Kontaktschicht eines Substrats aufgetragen wird, die aufgetragene Paste vollständig getrocknet wird, das Bauelement sodann mit seiner Grenzfläche auf die Kontaktoberfläche des Substrats aufgesetzt wird und diese Anordnung in eine Presse eingebracht wird, in der sie bei Sintertemperatur mit einem Druck von mindestens 900 N/cm² zusammengepreßt wird, wobei das auf das Substrat aufgesetzte Bauelement in eine Aufnahmevorrichtung eingelegt wird, die aus einem Bodenteil und einem seitlichen Wandungsteil besteht und durch einen in Richtung des Bodenteils bewegbaren Stempel zu einer geschlossenen Aufnahmekammer ergänzt wird, wobei sich das Bodenteil gegen einen ersten Pressenstempel und der in Richtung des Bodenteils bewegbare Stempel gegen einen zweiten Pressenstempel abstützen, ein deformierbarer Körper aus temperaturbeständigem, elastisch verformbaren Material in die Aufnahmevorrichtung mit eingelegt wird, und das Volumen des deformierbaren Körpers so bemessen wird, daß er den vom Bauelement und vom Substrat nicht eingenommenen Innenraum der Aufnahmekammer beim Erreichen des genannten Druckes unter Vermeidung eines direkten Kontaktes zwischen dem Stempel und dem Bauelement bzw. dem Substrat vollständig ausfüllt.
In Kenntnis des genannten Standes der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Druckübertragungseinrichtung und Drucksinterverfahren hiermit vorzustellen, mit dessen Hilfe eine Unterbrechung des Verfahrensablaufes im Rahmen einer Serienfertigung vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch Drucksinterverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Druckübertragungseinrichtung ist ausgebildet aus einem, insbesondere unter Druck einer Sinterpresse, elastischem Material und vorgesehen zur Anordnung zwischen einem Druckstempel einer Sinterpresse und einem Werkstück und einem hierauf angeordneten ersten Verbindungspartner, wobei zwischen dem Werkstück und dem ersten Verbindungspartner ein Sinterstoff oder ein Sintermetall angeordnet ist, wobei eine Baugruppe aus dem Werkstück, aus dem Sinterstoff oder dem Sintermetall und aus dem ersten Verbindungspartner, eine erste Oberflächenkontur aufweisen, wobei die Druckübertragungseinrichtung dazu ausgebildet ist den ersten Verbindungspartner allseits zu überragen, und auf ihrer der Baugruppe zugewandten Seite eine zweite Oberfläche mit einer zweiten Oberflächenkontur aufzuweisen, die einem Negativ der ersten Oberflächenkontur entspricht, wobei die Druckübertragungseinrichtung eine durchgehende Ausnehmung zur Aufnahme eines zweiten Verbindungspartners oder eines ersten Teils des zweiten Verbindungspartners aufweist, der dazu ausgebildet ist mittels eines Sinterstoffs mit dem Werkstück verbunden.
Hierbei wird unter einem elastischen Material nicht zwangsläufig verstanden, dass dieses Material nach Druckbeaufschlagung vollständig in seine vorherige Form zurückkehrt. Unter „entsprechen“ wird hier die gleiche Topologie, allerdings nicht notwendigerweise mit den gleichen Höhen, verstanden. In anderen Worten die zweite Oberflächenkontur ist im Grunde vorhanden, allerdings nicht zwangsläufig so stark ausgeprägt wie die erste Oberflächenkontur. Unter einem Sinterstoff wird ein Stoffgemisch, beispielhaft fachüblich ausgebildet aus Metallpartikeln und einem Lösungsmittel verstanden, das im Rahmen eines Drucksinterverfahrens in ein Sintermetall überführt wird, wobei das Sintermetall die stoffschlüssige Verbindung ausbildet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Druckübertragungseinrichtung aus einem Material der Materialgruppe der Elastomere, bevorzugt der Silikonkautschuke, insbesondere aus thermisch stabilisiertem Silikonkautschuk, insbesondere mit einer Shore-A-Härte zwischen 30 und 90, bevorzugt zwischen 55 und 70, ausgebildet ist.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Druckübertragungseinrichtung aus einem Material der Materialgruppe der modifizierten PTFEs, bevorzugt der gefülltem PTFEs, insbesondere aus mit Silikat gefülltem PTFE, insbesondere mit einem Kaltstauchwert, gemäß DIN 28090-2, wischen 1% und 6%, insbesondere zwischen 2% und 4%, ausgebildet ist. Vorteilhaft ist weiterhin ein Wert der Zusammendrückung gemäß ASTM F 36 J von 4% bis 10%.
Es kann bevorzugt sein, wenn die Druckübertragungseinrichtung zusätzlich eine, von der ersten Oberfläche ausgehende und an die durchgehende Ausnehmung lateral anschließende Vertiefung zur Aufnahme eines zweiten Teils des zweiten Verbindungspartners aufweist. Zusätzlich kann die Druckübertragungseinrichtung eine Zunge aufweisen, die dazu ausgebildet ist nach Umklappen die Ausnehmung, falls vorhanden auch die Vertiefung und den zweiten angeordneten Verbindungspartner, zu überdecken. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Oberfläche mit umgeklappter Zunge plan ausgebildet ist.
Das erste erfindungsgemäße Drucksinterverfahren weist in dieser Reihenfolge die folgenden wesentlichen Verfahrensschritte auf:

a) Ausbilden einer Baugruppe aus einem Werkstück und einem hierauf angeordneten ersten Verbindungspartner, wobei zwischen dem Werkstück und dem ersten Verbindungspartner ein Sinterstoff angeordnet ist.
b) Anordnen einer oben genannten Druckübertragungseinrichtung auf der Baugruppe.
c) Anordnen der Baugruppe samt Druckübertragungseinrichtung auf einem Druckgegenstück einer Sinterpresse. Hierbei soll, auch im Folgenden, verstanden werden, dass die Baugruppe zumindest teilweise auch in einer Ausnehmung des Druckgegenstücks angeordnet sein kann.
d) Druckbeaufschlagung mittels eines Druckstempels der Sinterpresse auf die Druckübertragungseinrichtung unter Ausbildung einer Drucksinterverbindung zwischen dem Werkstück und dem ersten Verbindungspartner, wobei der Sinterstoff in ein Sintermetall überführt wird.

Das zweite erfindungsgemäße Drucksinterverfahren weist in dieser Reihenfolge die folgenden wesentlichen Verfahrensschritte auf:

a) Anordnen einer Baugruppe aus einem Werkstück und einem hierauf angeordneten ersten Verbindungspartner, wobei zwischen dem Werkstück und dem ersten Verbindungspartner ein Sintermetall angeordnet ist.
b) Anordnen einer oben genannten Druckübertragungseinrichtungauf der Baugruppe.
c) Anordnen eines zweiten Verbindungspartners oder eines ersten Teils des zweiten Verbindungspartners in der Ausnehmung und ggf. eines zweiten Teils in der Vertiefung, wobei zwischen dem ersten Teil des zweiten Verbindungspartners und dem Werkstück ein Sinterstoff angeordnet ist.
d) Umklappen der Zunge, wodurch die Ausnehmung, ggf. die Vertiefung und der zweite angeordnete Verbindungspartner überdeckt werden.
e) Anordnen der Baugruppe samt Druckübertragungseinrichtung und zweitem Verbindungspartner auf einem Druckgegenstück einer Sinterpresse.
f) Druckbeaufschlagung mittels eines Druckstempels der Sinterpresse auf die Druckübertragungseinrichtung unter Ausbildung einer Drucksinterverbindung zwischen dem Werkstück und dem zweiten Verbindungspartner, wobei der Sinterstoff in ein Sintermetall überführt wird.

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass sich aus dem Verfahrensablauf beider erfindungsgemäßer Verfahren ergibt, dass die Druckübertragungseinrichtung kein Bestandteil der Sinterpresse, insbesondere des Druckstempels, ist. Ebenso wesentlich ist, dass die Druckübertragungseinrichtung gemeinsam mit dem Werkstück in die Sinterpresse eingebracht und wieder aus ihr entfernt wird. In anderen Worten, die Druckübertragungseinrichtung wird nur einmal bei einem Sinterprozess in der jeweiligen Sinterpresse verwendet.
Bei beiden Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn der Druckstempel entweder als ein inelastischer Stempel, insbesondere als ein Metallstempel, mit planer Oberfläche oder als ein inelastischer Stempel, insbesondere als ein Metallstempel, mit elastischem Druckkissen mit planer Oberfläche ausgebildet ist, wobei der Druckstempel im Rahmen des Verfahrens dazu vorgesehen ist auf die Druckübertragungseinrichtung zu drücken. Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Druckkissen aus einem Material der Materialgruppe der Elastomere, bevorzugt der Silikonkautschuke, insbesondere aus thermisch stabilisiertem Silikonkautschuk, insbesondere mit einer Shore-A-Härte zwischen 55 und 70, ausgebildet ist.
Bei beiden Verfahren kann es zudem vorteilhaft sein, wenn das Werkstück während der Druckbeaufschlagung in einer Ausnehmung des Druckgegenstücks angeordnet ist. Auch kann die Druckübertragungseinrichtung das Werkstück während der Druckbeaufschlagung allseits überragt.
Insbesondere kann bei beiden Verfahren der Rand der Druckübertragungseinrichtung teilweise oder umlaufend und vollständig auf dem Druckgegenstück aufliegen.
Schließlich kann es bei beiden Verfahren bevorzugt sein, wenn der Druckstempel ein Rahmenelement, das teilweise oder vollständig unabhängig vom Druckstempel beweglich ist, aufweist, das dazu ausgebildet ist die Druckübertragungseinrichtung während der Druckbeaufschlagung zu umfassen. Mit „umfassen“ soll hier ein seitliches Begrenzen zur Eingrenzung bzw. Begrenzung einer lateralen Ausdehnung bzw. Deformation verstanden werden.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere der jeweilige Verbindungspartner, mehrfach im Rahmen des Drucksinterverfahrens vorhanden sein.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, unabhängig davon ob sie in Zusammenhang mit der Druckübertragungseinrichtung oder mit den Drucksinterverfahren genannt sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale 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 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt eine erste Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung, einem Werkstück, einem ersten Verbindungspartner und einer Sinterpresse in Explosionsdarstellung.
2 zeigt eine zweite Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung, einem Werkstück, einem ersten Verbindungspartner und einer Sinterpresse.
3 zeigt eine dritte Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung, einem Werkstück, einem ersten Verbindungspartner und einer Sinterpresse in Explosionsdarstellung.
4 bis 6 zeigen die Anwendung einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung mit einem zweiten Verbindungspartner.

1 zeigt eine erste Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung 4, einem Werkstück 1, einem ersten Verbindungspartner 2 und einer Sinterpresse in Explosionsdarstellung. Die Sinterpresse weist ein Druckgegenstück 6, das als Widerlager für den Sintervorgang dient auf. Dieses Druckgegenstück 6 weist eine Ausnehmung 60 auf, in der das Werkstück 1, das mit einem ersten Verbindungspartner drucksintertechnisch verbunden werden soll, oberflächenbündig, also eine gemeinsame Oberfläche ausbildend, angeordnet werden kann. Weiterhin weist die Sinterpresse einen fachüblichen, Druckstempel 7 auf, der einen Metallstempel 70 und ein auf dessen dem Druckgegenstück 6 zugewandten planen Oberfläche angeordnetem elastisches Druckkissen 72 aufweist. Das Druckkissen 72 besteht aus einem thermisch stabilisierten Silikonkautschuk mit einer Shore-A-Härte von ca. 60. Weiterhin weist das Druckkissen 72 eine dem Druckgegenstück 6 zugewandte plane Oberfläche 720 auf.
Das Werkstück 1 ist in dieser Anordnung, bzw. Ausgestaltung, ein Aluminiumkühlkörper, der mit seiner planen Oberfläche oberflächenbündig in der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6 der Sinterpresse angeordnet ist. Dieser Aluminiumkühlkörper 1 weist einen Grundkörper 10 mit planer Oberfläche zur Anordnung des ersten Verbindungspartners 2 auf. Auf der dieser Oberfläche abgewandten Seite weist der Aluminiumkühlkörper 1, hier stiftförmig ausgebildete, Kühlelemente 12 auf. Derartige Aluminiumkühlkörper 1 sind auch als Pin-Fin-Kühlkörper bekannt.
Der erste Verbindungspartner 2 ist hier ausgebildet als ein fachübliches Leistungshalbleitersubstrat mit einem Keramikkörper 20 und metallische Kaschierungen 22, 24 auf den beiden Hauptflächen, die auf der dem Werkstück 1 abgewandten Seite Leiterbahnen ausbilden. Auf beiden Leiterbahnen 22 und hiermit stoffschlüssig verbunden ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 26 angeordnet. Zwischen dem Werkstück 1 und dem ersten Verbindungspartner 2 ist in fachüblicher Weise, ein Sinterstoff 3 angeordnet, der durch den Drucksintervorgang in eine das Werkstück 1 und den Verbindungspartner 2 stoffschlüssig verbindende Schicht aus Sintermetall überführt wird.
Weiterhin dargestellt ist eine erfindungsgemäße Druckübertragungseinrichtung 4, zur Anordnung zwischen dem, mit dem Werkstück 1 mittels des dazwischen angeordneten Sinterstoffs 3 zu verbindenden, ersten Verbindungspartner 1 und dem Druckstempel 7 mit dem Druckkissen 72. Diese Druckübertragungseinrichtung 4 überragt hier nicht nur den ersten Verbindungspartner 2 allseits lateral, sondern überragt ebenfalls lateral auch das Werkstück 1 und den Rand 600 der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 4. Die Baugruppe aus dem Werkstück 1, aus dem Sinterstoffs 3 und aus dem ersten Verbindungspartner 2 weist eine erste Oberflächenkontur 220 auf. Die Druckübertragungseinrichtung 4 weist auf ihrer der genannten Baugruppe zugewandten Seite eine zweite Oberfläche mit einer zweiten Oberflächenkontur 422 auf, die einem Negativ der ersten Oberflächenkontur 220 entspricht.
Zudem weist die Druckübertragungseinrichtung 4 eine angeformte Nase 40 auf, die in einen Spalt zwischen dem Rand 100 des Werkstücks 1 und dem Rand 600 der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6 hineinreicht. Diese Nase 40, die auch vollständig umlaufend um das Werkstück 1 herum ausgebildet sein kann, dient somit insbesondere der einfachen Positionierung der Druckübertragungseinrichtung 4. Diese Art der Positionierung ist insbesondere vorteilhaft, da hierdurch die gesamte Anordnung aus Werkstück 1 und erstem Verbindungspartner 2 als eine funktionale Einheit in die Sinterpresse eingebracht werden kann. Dies verringert die Prozesszeiten, da nur eine Komponente, nämlich diese funktionale Einheit, pro Sintervorgang in die Presse eingebracht wird. Die Druckübertragungseinrichtung 4 besteht, bei dieser Ausgestaltung, wie das Druckkissen 72, aus einem thermisch stabilisiertem Silikonkautschuk mit einer Shore-A-Härte von 60.
Im Rahmen des zugeordneten erfindungsgemäßen ersten Drucksinterverfahren, wird eine funktionale Einheit aus der Druckübertragungseinrichtung 4 und der Baugruppe aus dem Werkstück 1, dem Sintersoff 3 und dem ersten Verbindungspartner 2 ausgebildet. Diese Baugruppe wird anschließend in die Sinterpresse eingebracht, wobei das Werkstück 1 in der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6 zu liegen kommt. Anschließend wird mittels des Druckstempels 7 mit dem Druckkissen 72 Druck auf die Druckübertragungseinrichtung 4 eingeleitet. Dieser Druck wird mittelbar auf den Sinterstoff 3 übertragen wodurch dieser, meist unter zusätzlicher Temperaturzufuhr, in ein Sintermetall überführt wird. Anschließend wird die gesamte funktionale Einheit aus der Sinterpresse entfernt. Damit ist der Vorgang der stoffschlüssigen Sinterverbindung zwischen Werkstück 1 und erstem Verbindungspartner 2 abgeschlossen. Die Druckübertragungseinrichtung 4 wird anschließend bevorzugt verworfen, kann aber auch Teil einer neuen funktionalen Einheit werden. Somit kann die Druckübertragungseinrichtung im Grunde auch mehrfach verwendet werden.
Wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung des ersten Verfahrens ist, dass das Druckkissen 72 durch den ausschließlichen Kontakt mit der Druckübertragungseinrichtung 4 nicht beschädigt werden kann, wodurch eine Fertigungsunterbrechung zum Austausch des Druckkissens 72 verglichen zum Stand der Technik wesentlich seltener notwendig ist, da die Standzeit des Druckkissens 72 wesentlich erhöht wird.
2 zeigt eine zweite Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung 4, einem Werkstück 1, einem ersten Verbindungspartner 2 und einer Sinterpresse. Diese Anordnung ist im Grund identisch zu derjenigen gemäß 1. Allerdings weist hier die Sinterpresse nur einen Druckstempel 7, ausgebildet als ein inelastischen Stempel 70, hier als einen Metallstempel, auf. Die Druckübertragungseinrichtung 4 ist hier ausgebildet als ein mit Silikat gefülltes PTFE mit einem Kaltstauchwert von 4%. Diese Druckübertragungseinrichtung 4 weist ebenfalls eine zweite Oberflächenkontur 422 auf, die einem Negativ der ersten Oberflächenkontur 220, also derjenigen des Werkstücks 1 mit angeordnetem ersten Verbindungspartner 2 und einem Sinterstoff 3 zwischen beiden, entspricht. Dieser Werkstoff der Druckübertragungseinrichtung 4 weist eine geringere Elastizität verglichen mit den typischerweise zu Drucksinterverbindungen eingesetzten Elastomeren, insbesondere den Silikonkautschuken, auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine laterale Verdrängung bzw. Deformation der Druckübertragungseinrichtung 4 quasi nicht auftritt, wodurch auf ein Rahmenelement 74, vgl. 3, meist verzichtet werden kann. Die zweite Oberflächenkontur 422 wird bevorzugt im Rahmen eines Prägeverfahrens vor der Anordnung der Druckübertragungseinrichtung 4 zum Werkstück 1 und zum ersten Verbindungspartner 2 ausgebildet. Das Sinterverfahren verläuft im Grunde wie zu 1 beschrieben ab. Dargestellt ist ein Verfahrensschritt, Schritt d), des ersten Drucksinterverfahrens, bei dem aktuell Druck übertragen wird.
3 zeigt eine dritte Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung 4, einem Werkstück 1', einem ersten Verbindungspartner 2' und einer Sinterpresse in Explosionsdarstellung. Hierbei ist das Werkstück 1' ein fachübliches Leistungshalbleitersubstrat, beispielhaft mit einem elektrisch isolierenden Keramikkörper 20 und mit metallischen Kaschierungen 22 ,24 auf dessen Hauptflächen, wobei eine metallische Kaschierung strukturiert ist und somit Leiterbahnen des Leistungshalbleitersubstrats ausbildet. Der erste Verbindungspartner 2' ist hier ein Leistungshalbleiterbauelement 26, das auf einer Leiterbahn 22 angeordnet ist. Zwischen dem Werkstück 1' und dem ersten Verbindungspartner 2', also zwischen der Leiterbahn 22 und dem Leistungshalbleiterbauelement 26 ist ein Sinterstoff 3 in fachüblicher Weise angeordnet.
Das Druckgegenstück 6 der Sinterpresse ist hier als plane Metallplatte ohne Ausnehmung ausgebildet. Die Sinterpresse weist weiterhin einen Druckstempel 7, ausgebildet als Metallstempel 70, und ein Rahmenelement 74 auf, wobei dieses Rahmenelement 74 bei dieser Ausgestaltung unabhängig vom Druckstempel 7 beweglich ausgebildet ist. Es kann auch vorteilhaft sein beide teilweise simultan zu bewegen. In beiden Varianten senkt sich während des Verfahrensablaufs das Rahmenelement 74 auf das Werkstück 1' bündig ab. Anschließend senkt sich der Druckstempel 7 weiter um letztendlich mittelbar Druck auf den Sinterstoff auszuüben. Das Rahmenelement 74 dient hierbei der Begrenzung der lateralen Ausdehnung bzw. Deformation der Druckübertragungseinrichtung 4 unter Druckbeaufschlagung.
Zwischen Druckstempel 7 und Werkstück 1', samt den beiden Leistungshalbleiterbauelementen 26, ist die Druckübertragungseinrichtung 4 angeordnet, die hier wiederum aus einem thermisch stabilisiertem Silikonkautschuk mit einer Shore-A-Härte von 60 besteht. Die Druckübertragungseinrichtung 4 weist wiederum die beschriebene zweite Oberflächenkontur 422 auf. Zwar überragt bei dieser Ausgestaltung die Druckübertragungseinrichtung 4 die ersten Verbindungspartner 2'allseits lateral, allerdings nicht das Werkstück 1'.
Das erfindungsgemäße erste Drucksinterverfahren läuft im Übrigen wie oben beschrieben ab.
4 bis 6 zeigen die Anwendung einer erfindungsgemäßen Druckübertragungseinrichtung 4 mit einem zweiten Verbindungspartner 5 zur Anwendung eines zweiten erfindungsgemäßen Drucksinterverfahrens, wobei die 4 den Verfahrensschritt c) und die 5 den Verfahrensschritt d) jeweils in seitlicher Schnittdarstellung darstellen. 6 zeigt den Ablauf in dreidimensionaler Darstellung mit drei zweiten Verbindungspartner 5, die hier die beiden Gleichspannungsanschlusselemente und das Wechselspannungsanschlusselement einer leistungselektronischen Halbbrückenschaltung ausbilden.
Ausgangspunkt ist ein Leistungshalbleitersubstrat mit hierauf angeordnetem Leistungshalbleiterbauelement 26, wie es beispielhaft im Rahmen des unter 3 beschriebenen Verfahrens ausgebildet wurde. Mit einer Leiterbahn 22 des Leistungshalbleitersubstrats ist das Leistungshalbleiterbauelement 26 mittels eines Sintermetalls stoffschlüssig verbunden. Grundsätzlich gilt alles Nachfolgende auch für die Verbindung eines zweiten Verbindungspartners 5 mit einem Werkstück ausgebildet gemäß den 1 oder 2.
Im Rahmen des zweiten Drucksinterverfahrens soll mit einer Leiterbahn 22 des Werkstücks 1' ein Anschlusselement 5, hier der zweite Verbindungspartner, stoffschlüssig verbunden werden. Hierzu weist die Druckübertragungseinrichtung 4 eine durchgehende, also von der ersten zur zweiten Oberfläche 410, 420 reichende Ausnehmung 440 auf. In dieser Ausnehmung 440 und auf der Leiterbahn 22 ist der Sinterstoff 3 angeordnet, vgl. 4. Unmittelbar auf diesem Sinterstoff 3 und innerhalb der Ausnehmung 440 wird der zweite Verbindungspartner 5 derart angeordnet, dass ein erster Teil 50 dieses zweiten Verbindungspartners 5 auf dem Sinterstoff 3 zu liegen kommt.
In einer sich lateral an die durchgehende Ausnehmung 440 anschließenden, nicht durchgehenden Vertiefung 442, kommt der zweite Teil 52 des zweiten Verbindungspartners 5 auf der Druckübertragungseinrichtung 4 zu liegen, ohne das Leistungshalbleitersubstrat oder den Sinterstoff 3 zu berühren. Dieser zweite Teil 52 des zweiten Verbindungspartners 5 kann nach der stoffschlüssigen Sinterverbindung des ersten Teils 50 hochgebogen werden, um dann im rechten Winkel wegzustehen.
Die Druckübertragungseinrichtung 4 weist weiterhin eine elastisch und einstückig angebundene Zunge 446 auf, die im Rahmen des Verfahrensschritts d) um eine Drehachse 444 herum bewegt wird und auf dem zweiten Verbindungspartner 5 zu liegen kommt und diesem somit überdeckt. Hierdurch bildet sich eine dem Presstempel 7 zugewandte plane erste Oberfläche 410 der Druckübertragungseinrichtung 4 aus. Diese plane erste Oberfläche 410 wird im Rahmen des Verfahrensschritts f) mit Druck durch einen inelastischen planen Presstempel 7 beaufschlagt. Die Druckübertragungseinrichtung 4 weist im Übrigen selbstverständlich die zu den 1 bis 3 beschriebene zweite Oberflächenkontur 422 der zweiten Oberfläche 420 auf. Die hier dargestellte Druckübertragungseinrichtung 4 besteht aus einem thermisch stabilisierten Silikonkautschuk mit einer Shore-A-Härte von ca. 55.
Im Rahmen des beschriebenen erfindungsgemäßen zweiten Drucksinterverfahren, wird eine funktionale Einheit aus der Druckübertragungseinrichtung 4 und der Baugruppe aus dem Werkstück 1', ggf. mit stoffschlüssig verbundenem ersten Verbindungspartner 26, dem Sintersoff 3 und dem zweiten Verbindungspartner 5 ausgebildet. Diese funktionale Einheit wird anschließend in die Sinterpresse eingebracht, wobei das Werkstück 1' in der Ausnehmung 440 des Druckgegenstücks 4 zu liegen kommt. Anschließend wird mittels des Druckstempels 7 ohne weiteres Druckkissen Druck auf die Druckübertragungseinrichtung 4 eingeleitet. Dieser Druck wird mittelbar auf den Sinterstoff 3 übertragen wodurch dieser, meist unter zusätzlicher Temperaturzufuhr, in ein Sintermetall überführt wird. Anschließend wird die gesamte funktionale Einheit aus der Sinterpresse entfernt. Damit ist der Vorgang der stoffschlüssigen Sinterverbindung zwischen Werkstück 1' und zweitem Verbindungspartner 5 abgeschlossen. Die Druckübertragungseinrichtung 4 wird anschließend bevorzugt verworfen, kann aber auch Teil einer neuen funktionalen Einheit werden. Somit kann die Druckübertragungseinrichtung 4 im Grunde auch mehrfach verwendet werden.
Wesentlicher Vorteil auch dieser Ausgestaltung des zweiten Verfahrens ist, dass die Sinterpresse sehr einfach, also ohne elastisches Druckkissen, ausgebildet werden kann.

Claims

Druckübertragungseinrichtung (4) aus einem elastischem Material, vorgesehen zur Anordnung zwischen einem Druckstempel (7) einer Sinterpresse und einem Werkstück (1, 1') und einem hierauf angeordneten ersten Verbindungspartner (2, 2'), wobei zwischen dem Werkstück (1, 1') und dem ersten Verbindungspartner (2, 2') ein Sinterstoff (3) oder ein Sintermetall angeordnet ist, wobei eine Baugruppe aus dem Werkstück (1, 1'), aus dem Sinterstoff (3) oder dem Sintermetall und aus dem ersten Verbindungspartner (2, 2'), eine erste Oberflächenkontur (220) aufweisen, wobei die Druckübertragungseinrichtung (4) dazu ausgebildet ist zumindest den ersten Verbindungspartner (2, 2') allseits zu überragen, und auf ihrer der Baugruppe zugewandten Seite eine zweite Oberfläche (420) mit einer zweiten Oberflächenkontur (422) aufzuweisen, die einem Negativ der ersten Oberflächenkontur (220) entspricht, wobei diese Druckübertragungseinrichtung (4) eine durchgehende Ausnehmung (440) zur Aufnahme eines zweiten Verbindungspartners (5) oder eines ersten Teils (50) des zweiten Verbindungspartners (5) aufweist, der dazu ausgebildet ist mittels eines Sinterstoffs (3) mit dem Werkstück (1, 1') verbunden zu werden.
Druckübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei diese aus einem Material der Materialgruppe der Elastomere, bevorzugt der Silikonkautschuke, insbesondere aus thermisch stabilisiertem Silikonkautschuk, insbesondere mit einer Shore-A-Härte zwischen 30 und 90, bevorzugst zwischen 55 und 70, ausgebildet ist.
Druckübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei diese aus einem Material der Materialgruppe der modifizierten PTFEs, bevorzugt der gefülltem PTFEs, insbesondere aus mit Silikat gefülltem PTFE, insbesondere mit einem Kaltstauchwert zwischen 1% und 6%, insbesondere zwischen 2% und 4%, ausgebildet ist.
Druckübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, wobei diese, von der ersten Oberfläche (410) ausgehende und eine an die durchgehende Ausnehmung (440) lateral anschließende Vertiefung (442) zur Aufnahme eines zweiten Teils (52) des zweiten Verbindungspartners (5) aufweist.
Druckübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, wobei diese eine Zunge (446) aufweist, die dazu ausgebildet ist nach Umklappen die Ausnehmung (440), falls vorhanden auch die Vertiefung (442) und den zweiten angeordneten Verbindungspartner (5) zu überdecken.
Druckübertragungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Oberfläche (410) mit umgeklappter Zunge (446) plan ausgebildet ist.
Drucksinterverfahren ausgebildet mit folgenden wesentlichen Verfahrensschritten: a) Ausbilden einer Baugruppe aus einem Werkstück (1, 1') und einem hierauf angeordneten ersten Verbindungspartner (2, 2'), wobei zwischen dem Werkstück (1, 1') und dem ersten Verbindungspartner (2, 2') ein Sinterstoff (3) angeordnet ist. b) Anordnen einer Druckübertragungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf der Baugruppe. c) Anordnen der Baugruppe samt Druckübertragungseinrichtung (4) auf einem Druckgegenstück (6) einer Sinterpresse. d) Druckbeaufschlagung mittels eines Druckstempels (7) der Sinterpresse auf die Druckübertragungseinrichtung (4) unter Ausbildung einer Drucksinterverbindung zwischen dem Werkstück (1, 1') und dem ersten Verbindungspartner (2, 2'), wobei der Sinterstoff (3) in ein Sintermetall überführt wird.
Drucksinterverfahren ausgebildet mit folgenden wesentlichen Verfahrensschritten: a) Anordnen einer Baugruppe aus einem Werkstück (1, 1') und einem hierauf angeordneten ersten Verbindungspartner (2, 2'), wobei zwischen dem Werkstück (1, 1') und dem ersten Verbindungspartner (2, 2') ein Sintermetall angeordnet ist. b) Anordnen einer Druckübertragungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf der Baugruppe. c) Anordnen eines zweiten Verbindungspartners (5) oder eines ersten Teils (52) des zweiten Verbindungspartners (5) in der Ausnehmung (440) der Druckübertragungseinrichtung (4), wobei zwischen dem ersten Teil (50) des zweiten Verbindungspartners (5) und dem Werkstück (1, 1') ein Sinterstoff (3) angeordnet ist. d) Umklappen der Zunge (446), wodurch die Ausnehmung (440) und der zweite angeordnete Verbindungspartner (5) überdeckt werden. e) Anordnen der Baugruppe samt Druckübertragungseinrichtung (4) und zweitem Verbindungspartner (5) auf einem Druckgegenstück (6) einer Sinterpresse. f) Druckbeaufschlagung mittels eines Druckstempels (7) der Sinterpresse auf die Druckübertragungseinrichtung (4) unter Ausbildung einer Drucksinterverbindung zwischen dem Werkstück (1, 1') und dem zweiten Verbindungspartner (5), wobei der Sinterstoff (3) in ein Sintermetall überführt wird.
Drucksinterverfahren nach Anspruch 8, wobei ein zweiter Teil (52) des zweiten Verbindungspartners (5) im Schritt c) in einer Vertiefung (442) der Druckübertragungseinrichtung (4) angeordnet wird und wobei im Schritt d) die Zunge auch die Vertiefung mit darin angeordnetem zweiten Teil (52) des zweiten Verbindungspartners (5) überdeckt.
Drucksinterverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Druckstempel (7) entweder als ein inelastischer Stempel (70), insbesondere als ein Metallstempel, mit planer Oberfläche oder als ein inelastischer Stempel (70), insbesondere als ein Metallstempel, mit elastischem Druckkissen (72) mit planer Oberfläche (720) ausgebildet ist, wobei das Druckkissen (72) im Rahmen des Verfahrens dazu vorgesehen ist auf die Druckübertragungseinrichtung (4) zu drücken.
Drucksinterverfahren nach Anspruch 9, wobei das Druckkissen (72) aus einem Material der Materialgruppe der Elastomere, bevorzugt der Silikonkautschuke, insbesondere aus thermisch stabilisiertem Silikonkautschuk, insbesondere mit einer Shore-A-Härte zwischen 55 und 70, ausgebildet ist.
Drucksinterverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Werkstück (1, 1') während der Druckbeaufschlagung in einer Ausnehmung (60) des Druckgegenstücks (6) angeordnet ist.
Drucksinterverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Druckübertragungseinrichtung (4) das Werkstück (1, 1') während der Druckbeaufschlagung allseits überragt.
Drucksinterverfahren nach Anspruch 12, wobei der Rand der Druckübertragungseinrichtung (4) teilweise oder umlaufend und vollständig auf dem Druckgegenstück (6) aufliegt.
Drucksinterverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei wobei der Druckstempel (7) ein Rahmenelement (74) aufweist, das dazu ausgebildet ist die Druckübertragungseinrichtung (4) während der Druckbeaufschlagung zu umfassen.