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Die Erfindung beschreibt eine Sinterkomponentenanordnung mit einem ersten Verbindungspartner angeordnet in einer Ausnehmung eines Druckgegenstücks einer Sinterpresse und einem zweiten auf dem ersten angeordneten Verbindungspartner. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Drucksinterverfahren, das unter Anwendung der Sinterkomponentenanordnung ausgeführt wird.
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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.
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Aus der
US 4903885 A ist es bekannt zum Befestigen von elektronischen Bauelementen, insbesondere Leistungshalbleitern, auf Substraten ein Drucksinterverfahren einzusetzen, bei dem die zu verbindenden Flächen unter Zwischenfügung einer Metallpulverpaste bei Sintertemperatur mit mindestens 900 N/cm
2 zusammengepresst werden. Bauelemente mit strukturierter Oberseite können somit druckgesintert werden, wenn sie gemeinsam mit einem Körper aus elastisch verformbarem Material, z.B. Silikonkautschuk, in eine durch einen bewegbaren Stempel abgeschlossene, den Sinterdruck übertragende Aufnahmekammer eingelegt werden, wobei der deformierbare Körper beim Erreichen des Sinterdrucks den verbleibenden Innenraum der Aufnahmekammer vollständig ausfüllt.
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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.
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In Kenntnis des genannten Standes der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sinterkomponentenanordnung und ein Drucksinterverfahren hiermit vorzustellen, mit dessen Hilfe die Standzeit des Kissenelements, bzw. eines Druckkissens verlängert wird, oder eine Unterbrechung des Verfahrensablaufes vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Sinterkomponentenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Drucksinterverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Sinterkomponentenanordnung ist ausgebildet mit einem ersten Verbindungspartner angeordnet in einer Ausnehmung eines Druckgegenstücks einer Sinterpresse und einem zweiten auf dem ersten angeordneten Verbindungspartner, wobei zwischen den Verbindungspartnern ein Sinterstoff angeordnet ist, und mit einem Rahmenelement aus einem, insbesondere unter Druck einer Sinterpresse, elastischem Material, wobei das Rahmenelement auf dem ersten Verbindungspartner derart aufliegt, dass es den zweiten Verbindungspartner umrahmt und wobei das Rahmenelement dazu ausgebildet ist während eines Drucksinterverfahrens von einem Druckstempel einer Sinterpresse und einem zwischen dem Druckstempel und dem zweiten Verbindungspartner angeordnetem elastischem Druckkissen deformiert zu werden, wobei durch die Deformation das Rahmenelement eng an einem Rand des zweiten Verbindungspartners anliegt, damit sich das Druckkissen nicht in einen zwischen zweitem Verbindungspartner und Rahmenelement ausgebildeten Spalt hinein verformen kann und / oder wobei das Rahmenelement einen Spalt zwischen dem Rand des ersten Verbindungspartners und dem Rand der Ausnehmung des Druckgegenstücks überdeckt. Hierbei wird unter einem elastischen Material nicht zwangsläufig verstanden, dass dieses Material nach Wegfall der Druckbeaufschlagung vollständig in seine vorherige Form zurückkehrt.
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Es ist hierbei bevorzugt, wenn das Rahmenelement aus einem Material der Materialgruppe der Elastomere, bevorzugt der Silikonkautschuke, insbesondere aus thermisch stabilisiertem Silikonkautschuk, insbesondere mit einer Shore-A-Härte zwischen 55 und 90, bevorzugt zwischen 70 und 80, ausgebildet ist.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn das Rahmenelement aus einem Material der Materialgruppe der modifizierten PTFEs, bevorzugt der gefülltem PTFE, 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%.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn das Rahmenelement in nicht durch Druckeinwirkung verformten Zustand eine Dicke aufweist, die mindestens der halben Dicke des zweiten Verbindungspartners entspricht.
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Auch kann es bevorzugt sein, wenn das Rahmenelement in nicht durch Druckeinwirkung verformtem Zustand eine Dicke aufweist, die maximal dem fünffachen der Dicke des zweiten Verbindungspartners entspricht;
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Das erfindungsgemäße Drucksinterverfahren ist ausgebildet mit folgenden wesentlichen Verfahrensschritten, in der Reihenfolge:
- a) Ausbilden einer oben beschriebenen Sinterkomponentenanordnung;
- b) Anordnen der Sinterkomponentenanordnung auf einem Druckgegenstück einer Sinterpresse;
- c) Druckbeaufschlagung mittels eines Druckstempels der Sinterpresse und eines zwischen dem Druckstempel und dem zweiten Verbindungspartner angeordneten elastischen Druckkissen auf den zweiten Verbindungspartner und auf das Rahmenelement, wenn auch nicht zwangsläufig auf dessen gesamte Fläche, unter Ausbildung einer Drucksinterverbindung zwischen dem ersten Verbindungspartner und dem zweiten Verbindungspartner, wobei der Sinterstoff in ein Sintermetall übergeführt wird. Hierbei kann das Druckkissen mit dem Druckstempel verbunden sein und im Verfahren mehrfach verwendet werden. Alternativ kann das Druckkissen nicht mit dem Druckstempel verbunden sein. Somit kann das Druckkissen nach jedem Verfahrensdurchlauf getauscht werden. Hierzu kann die Sinterkomponentenanordnung dieses Druckkissen bereits vor der diesem Schritt c) als eine Komponente aufweisen.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Druckstempel inelastisch, insbesondere als ein Metallstempel ausgebildet ist.
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Es kann einerseits vorteilhaft sein, wenn eine dem zweiten Verbindungspartner zugewandte Oberfläche des elastischen Druckkissens plan ausgebildet ist. Durch die Elastizität und unter Druck wird das Druckkissen dann an die Kontur des mit Druck zu beaufschlagenden Flächenabschnitts der Oberfläche der Sinterkomponentenanordnung angepasst. Alternativ hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn die dem zweiten Verbindungspartner zugewandte Oberfläche des elastischen Druckkissens konturiert ausgebildet ist und vorzugsweise diese Oberfläche einem Negativ der Kontur des mit Druck zu beaufschlagenden Flächenabschnitts der Oberfläche des ersten und zweiten Verbindungspartners entspricht.
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Grundsätzlich, insbesondere für die o.g. erste Alternative der Ausgestaltung des Druckkissens, ist es vorteilhaft, wenn das elastische 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. Es kann allerdings auch, insbesondere für die o.g. zweite Alternative der Ausgestaltung des Druckkissens, vorteilhaft sein, wenn das elastische Druckkissen aus einem Material der Materialgruppe der modifizierten PTFEs, bevorzugt der gefüllten PTFEs, insbesondere aus mit Silikat gefülltem PTFE, insbesondere mit einem Kaltstauchwert zwischen 1% und 6%, bevorzugt zwischen 2% und 4%, ausgebildet ist. Vorteilhaft ist weiterhin ein Wert der Zusammendrückung gemäß ASTM F 36 J von 4% bis 10%.
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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 zweite Verbindungspartner, mehrfach in der erfindungsgemäßen Sinterkomponentenanordnung oder im Rahmen des Drucksinterverfahrens vorhanden sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, unabhängig davon ob sie in Zusammenhang mit der Sinterkomponentenanordnung oder mit dem 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.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 zeigt zwei Varianten einer ersten erfindungsgemäßen Sinterkomponentenanordnung in der Anordnung in einer Sinterpresse in seitlicher Ansicht.
- 2 zeigt einen Ausschnitt hiervon.
- 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Sinterkomponentenanordnung in der Anordnung in einer Sinterpresse in seitlicher Ansicht.
- 4 zeigt einen Ausschnitt hiervon.
- 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Variante der ersten erfindungsgemäßen Sinterkomponentenanordnung.
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1 zeigt zwei Varianten einer ersten erfindungsgemäßen Sinterkomponentenanordnung in der Anordnung in einer Sinterpresse in seitlicher Ansicht. Die Sinterpresse weist ein Druckgegenstück 6, das als Widerlager für den Sintervorgang dient auf. Dieses Druckgegenstück 6 weist eine Ausnehmung 60 auf, in der ein erster Verbindungspartner 1 oberflächenbündig, also eine gemeinsame Oberfläche ausbildend, angeordnet werden kann. Weiterhin weist die Sinterpresse einen fachüblichen, metallischen Druckstempel 7 auf, auf dessen dem Druckgegenstück 6 zugewandten planen Oberfläche ein elastisches Druckkissen 8 angeordnet und derart verbunden ist, dass beide eine gemeinsam bewegliche Einheit ausbilden. Das Druckkissen 8 besteht aus einem thermisch stabilisierten Silikonkautschuk, mit einer Shore-A-Härte von ca. 60. Weiterhin weist das Druckkissen 8 dem Druckgegenstück 6 zugewandt eine plane Oberfläche 80 auf.
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Weiterhin dargestellt sind zwei Varianten einer ersten erfindungsgemäßen Sinterkomponentenanordnung. Jede weist einen ersten Verbindungspartner 1 auf, hier einen Aluminiumkühlkörper der mit seiner planen Oberfläche oberflächenbündig in der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6 der Sinterpresse angeordnet ist. Dieser Aluminiumkühlkörper 1 weist einen Grundkörper mit planer Oberfläche zur Anordnung des zweiten Verbindungspartners 2 auf. Auf der dieser Oberfläche abgewandten Seite weist der Aluminiumkühlkörper 1, hier stiftförmig ausgebildete, Kühlelemente auf. Derartige Aluminiumkühlkörper 1 sind auch als Pin-Fin-Kühlkörper bekannt.
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Jede Variante weist einen zweiten Verbindungspartner 2 auf, hier ein fachübliches Leistungshalbleitersubstrat bestehend aus einem Keramikkörper 20 mit Kupferkaschierungen 22, 24 auf den beiden Hauptflächen, die auf der dem ersten Verbindungspartner 1 abgewandten Seite Leiterbahnen ausbilden. Auf mindestens einer dieser Leiterbahnen 22 und hiermit stoffschlüssig verbunden sind Leistungshalbleiterbauelemente 26 angeordnet. Zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspartner 1, 2 ist ein Sinterstoff 3 angeordnet, der durch den Drucksintervorgang in eine die beiden Verbindungspartner 1, 2 stoffschlüssig verbindende Sintermetallschicht überführt wird.
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Weiterhin weist jede Variante ein Rahmenelement 4 auf, von denen zwei unterschiedliche Ausprägungen dargestellt sind. Das links dargestellte Rahmenelement 4 ist derart ausgebildet, dass es nahe am zweiten Verbindungspartner 2 auf dem ersten Verbindungspartner 1 aufliegt, ohne diesen seitlich zu überragen. Das rechts dargestellte Rahmenelement 4 ist derart ausgebildet, dass es nahe am zweiten Verbindungspartner 2 auf dem ersten Verbindungspartner 1 aufliegt und diesen, sowie den Spalt 9 zwischen dem ersten Verbindungspartner 1 und dem Druckgegenstück 6 seitlich überragt. Zudem weist dieses Rahmenelement 4 eine prägetechnisch hergestellte Nase 40 auf, die in den Spalt 9 hineinreicht. Diese Nase 40, die auch vollständig umlaufend um den ersten Verbindungspartner 1 herum ausgebildet sein kann, dient ausschließlich der einfacheren Positionierung und ist im Übrigen ohne weitere Funktionalität. Diese Positionierung ist insbesondere vorteilhaft, da hierdurch die gesamte Sinterkomponentenanordnung 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. Das jeweilige Rahmenelement 4 besteht aus einem mit Silikat gefülltem PTFE mit einem Kaltstauchwert von ca. 3%.
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Die links dargestellte Ausprägung des Rahmenelements 4 ist insbesondere dann ausreichend, wenn das Druckkissen 8 in seiner lateralen Ausdehnung nicht über den Rand 100 des ersten Verbindungspartners 1 hinaus reicht. Sollte dies der Fall sein und das Rahmenelement auch noch über den Rand 600 der Ausnehmung 60 hinausreicht, ist eine rechts dargestellte Ausprägung des Rahmenelements 4 bevorzugt.
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2 zeigt einen Ausschnitt gemäß 1, wobei hier ein Rahmenelement 4 der zweiten Ausprägung dargestellt ist. Dieses Rahmenelement 4 ist hier dargestellt, während der Druckeinleitung. Durch die Druckeinleitung wurde der an den zweiten Verbindungspartner 2 angrenzende, aber vor der Druckeinleitung noch durch einen Spalt 5, vgl. 1, beabstandete Abschnitt des Rahmenelements 4 deformiert. Das Rahmenelement wird in diesem Abschnitt einerseits flacher und andererseits derart verformt, dass der Rand 402 des Rahmenelements 4 nun an den Rand 202 des zweiten Verbindungspartners 2 anliegt. Der ursprünglich vorhandene Spalt 5 wurde somit geschlossen. Das elastische Druckkissen 8 kann sich somit nicht an den Rand 202 des zweiten Verbindungspartners 2 anlegen oder gar unter den Keramikkörper 20 des Leistungshalbleitersubstrat kriechen. Hierdurch wird eine Beschädigung des elastischen Druckkissens 8 durch den Keramikkörper 20 wirkungsvoll verhindert.
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Zusätzlich überbrückt das Rahmenelement 4 den Spalt 9 zwischen dem ersten in der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6 angeordneten ersten Verbindungspartner 1 und dem Druckgegenstück 6. Somit wird hier ein Ausdehnen des elastischen Druckkissens 8 in diesen Spalt 9 hinein verhindert. Auch dies würde, zumindest nach einer gewissen Anzahl von Sinterprozessen, den Druckkörper 8 beschädigen, was durch das Rahmenelement 4 vollständig verhindert wird.
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Der rechte Abschnitt des Rahmenelements 4 ist hier nicht mit Druck durch das Druckkissen beaufschlagt und weist eine Dicke 400 auf, die ca. 20% größer ist als die Dicke 200 des zweiten Verbindungspartners 2.
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3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Sinterkomponentenanordnung in der Anordnung in einer Sinterpresse in seitlicher Ansicht. Mit Ausnahme des elastischen Druckkissens 8 und des Rahmenelements 4 entspricht diese Anordnung derjenigen gemäß 1, weshalb im Weiteren nur auf die Unterschiede und ihre Auswirkungen eingegangen wird.
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Das elastische Druckkissen 8 besteht aus einem mit Silikat gefüllten PTFE mit einem Kaltstauchwert von ca. 3%, also aus dem gleichen Material wie auch das Rahmenelement 4. Dieses Material hat durch eine Vordeformation eine dem Druckgegenstück 6 zugewandte Oberflächenkontur, die der Oberflächenkontur des ersten und darauf angeordneten zweiten Verbindungspartners 1, 2 entspricht. Unter „entsprechen“ wird hier die gleiche Topologie, allerdings nicht notwendigerweise mit den gleichen Höhen verstanden. In anderen Worten die Kontur ist im Grunde vorhanden, allerdings nicht so stark ausgeprägt.
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Wesentlich ist hier auch, dass das Druckkissen 8 selbst Teil der Sinterkomponentenanordnung ist und somit nicht mit dem Druckstempel 7 mechanisch verbunden ist. Das Druckkissen 8 wird somit mit den beiden Verbindungspartnern 1, 2, dem Sinterstoff 3 und dem Rahmenelement 4 gemeinsam in die Sinterpresse eingebracht und auch nur für einen Sinterprozess verwendet. Eine nachfolgende Sinterkomponentenanordnung weist ein eigenes Druckkissen 8 auf. Es sei hier aufgrund der wesentlichen Bedeutung noch einmal explizit darauf hingewiesen, dass diese nur einmalige Nutzung des Druckkissens grundsätzlich auch mit einer Ausprägung des Rahmenelements gemäß 1 und 2 erfolgen kann.
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Das Rahmenelement 4 dieser zweiten Sinterkomponentenanordnung liegt weder im nicht deformierten noch im deformierten Zustand am Rand 202 des zweiten Verbindungspartners 2 an. Es dient hier ausschließlich der Verhinderung des Eindringens des elastischen Druckkissens 8 in den Spalt 9 zwischen dem ersten Verbindungspartner 1 und dem Rand 600 der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6. Insbesondere weist das Rahmenelement 4 einen abgerundeten inneren Rand auf, damit hier keine zusätzliche Kante entsteht.
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Das Rahmenelement 4 kann, wie auch dasjenige der ersten Sinterkomponentenanordnung, eine vorzugsweise umlaufende Nase 40 aufweisen, die der Positionierung zum zweiten Verbindungspartner 2 dient.
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4 zeigt einen Ausschnitt der zweiten erfindungsgemäßen Sinterkomponentenanordnung in Analogie zu 2. Die dargestellte, in den Spalt 9 zwischen erstem Verbindungspartner 1 und Rand 600 der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6 hineinreichende Nase 40 kann, hier wie auch bei der ersten Sinterkomponentenanordnung, im Voraus ausgebildet werden, oder erst durch den Druck auf das Rahmenelement 4 im Rahmen des Pressvorgangs ausgebildet werden.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine Variante der ersten erfindungsgemäßen Sinterkomponentenanordnung. Dargestellt ist ein zweiter Verbindungspartner ausgebildet als ein Leistungshalbleitersubstrat mit einem Keramikkörper 20, zwei Leiterbahnen 22 und hierauf angeordnet jeweils zwei Leistungsbauelemente 26. Dieser zweite Verbindungspartner 2 ist auf dem ersten Verbindungspartner 1 angeordnet, indem ein Sintersoff dazwischen angeordnet ist.
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Den ersten Verbindungspartner 1 umrahmt allseitig ein Rahmenelement 4. Zwischen dem Rahmenelement 4 und dem zweiten Verbindungspartner 2 ist im nicht mit Druck beaufschlagtem Zustand ein gleichmäßiger Spalt 5 ausgebildet, der bei Druckbeaufschlagung, vgl. 2 geschlossen wird. Dargestellt ist weiterhin der Rand 100 des ersten Verbindungspartners 1, wie auch der Rand 600 der Ausnehmung 60 des Druckgegenstücks 6.
