DE102018133090A1

DE102018133090A1 - Anordnung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe

Info

Publication number: DE102018133090A1
Application number: DE102018133090.1A
Authority: DE
Inventors: André Bastos Abibe; Martin Becker; Ronald Eisele; Frank Osterwald; Jacek Rudzki
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25
Also published as: WO2020127443A2; WO2020127443A3

Abstract

Anordnung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe mit einer einen Unterstempel und einen Oberstempel aufweisenden Sintervorrichtung, einer auf dem Unterstempel angeordneten elektronischen Baugruppe und einer zwischen dem Oberstempel und der elektronischen Baugruppe angeordneten Trennfolie, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine aus Aluminium hergestellte Schicht aufweist, die der elektronischen Baugruppe zugwandt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe mit einer einen Unterstempel und einen Oberstempel aufweisenden Sintervorrichtung, einer auf dem Unterstempel angeordneten elektronischen Baugruppe und einem zwischen dem Oberstempel und der elektronischen Baugruppe angeordneten Trennfolie.
Bei der Herstellung von Baugruppen für die Leistungselektronik werden Halbleiterbauelemente standardmäßig auf keramischen Substraten (DCB) angeordnet und in einem Löt- oder insbesondere einem Sinterprozess mit diesen stoffschlüssig verbunden. Beim Sintern werden die Halbleiterbauelemente üblicherweise in einer dafür eingerichteten Presse auf eine vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 250 °C, temperiert und zur Verbindung des Halbleiters mit dem keramischen Substrat mit einem uniaxialen Druck oder mittels entsprechender Kissen mit einem quasi-hydrostatischen Druck beaufschlagt. Die für diesen Vorgang benötigte Wärme wird bereitgestellt von zumindest einem beheizbaren Kissen, das an die Größe des Halbleiterbauelementes angepasst ist.
Um beim Sintern die Oberflächen des Halbleiters vor Verunreinigungen und/oder Beschädigungen zu schützen, wird die Baugruppe regelmäßig mit einer hochtemperaturbeständigen Folie abgedeckt, die zum Beispiel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyimid (PI) etc. besteht. Diese Trennfolie, üblicherweise mit einer Dicke von 50 µm bis zu 500 µm, ist daher grundsätzlich zwischen der Baugruppe und dem (Ober-)Stempel der Sinterpresse angeordnet und muss derart ausgelegt sein, dass diese die Sinterbedingungen, insbesondere eine Temperatur von bis zu 300 °C, unbeschadet übersteht.
Zusätzlich zum Schutz der Oberflächen vor Verschmutzung, fungieren diese Trennfolien gleichzeitig als Schutz vor elektrischen Entladungen. Darüber hinaus dienen sie der Wärmeleitung und/oder Wärmeübertragung von dem beheizten Stempel auf die zu sinternde Baugruppe und dem Höhenausgleich zwischen dem keramischen Substrat und dem Chip während des quasi-hydrostatischen Sinterdrucks.
Aus praktischen Erwägungen werden die bekannten Trennfolien normalerweise auf Rollen aufbewahrt und nach dem Sinterprozess entsorgt. Sie sollten daher auch leicht recycelbar sein.
Nachteilig an den bekannten Trennfolien ist entsprechend, dass diese sehr zeitaufwändig herzustellen sind im Vergleich zu ihrer kurzen Nutzungsdauer und dass insbesondere die Entsorgung der Folien für die meisten Unternehmen besonders arbeitsaufwändig ist. Aufgrund dieser Nachteile werden die bekannten Hochtemperaturkunststofffolien nicht häufig als Trennmaterial für Sinterprozesse verwendet, auch wenn sie vorteilhaft für eine solche Anwendung sind.
Aber auch dort, wo derartige Folien intensiv verwendet werden, hat sich herausgestellt, dass die bekannten Hochtemperaturkunststofffolien zumeist Materialien mit Fluorketten aufweisen und nach dem Sinterprozess auf den gepressten Oberflächen Fluorreste hinterlassen. Diese sich aus der Folie auf der gesinterten Baugruppe ablagernden Fluorreste sind für auf das Sintern folgende Prozesse, wie etwa das Drahtbonden und Löten, störend.
Desweiteren sind die bekannten Hochtemperaturkunststofffolien schlechte Wärmeleiter und für die Wärmeübertragung vom Stempel auf die Baugruppe nicht förderlich. Dadurch wird die Zeit, die zum Herstellen gesinterter Baugruppen benötigt wird, für den gesamten Herstellungsprozess nachteilig verlängert.
Schließlich können sich die bekannten Hochtemperaturkunststofffolien relativ einfach elektrostatisch aufladen und so eine aufgeladene Oberfläche mit hohen Spannungen (von über 1000 V) aufweisen. Diese hohen Spannungen können die Halbleiterbauelemente beschädigen oder sogar zerstören. Aus diesem Grund ist die Anwendung von Kunststofffolien als Trennmaterial bei Sinterprozessen problematisch.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe zu schaffen, die einen Sinterprozess ermöglicht, der das herzustellende Modul schützt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, anstelle einer Kunststofffolie eine Metallfolie, bevorzugt eine Aluminiumfolie oder ein Metall/Kunststoff System (etwa PTFE + Al) zu verwenden. Die zwei Varianten können beide mit einem quasi-hydrostatischem Stempelsystem (beispielsweise mit einem Silikonkissen) und mit uniaxialen Stempeln verwendet werden.
Die Variante, die ein Metall/Kunststoff-System aufweist, ist in der Lage, den Höhenunterschied zwischen Chip und Substrat durch Verwenden eines quasi hydrostatischen Sinterdrucks auszugleichen. Dabei ist es besonders wichtig, eine Metallfolie mit einer vorbestimmten Dicke zu verwenden. Die Dicke der Metallfolie sollte zwischen 30 µm und 300 µm sein. Darüber hinaus ermöglicht die Anwesenheit der Metallfolie, Kontamination zu verringern und einen guten Schutz gegen elektrostatische Entladung zu gewährleisten. Auch die Wärmeleitung kann verbessert werden, da Metalle eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Kunststoffe aufweisen.
Um die Dicke der Metallfolie zu reduzieren, sowohl für die einfache Variante mit einer Metallfolie als auch für die Variante mit einem Metall/Kunststoff-System, können folgende bevorzugte Ausgestaltungen vorgesehen sein:

- Schlitze in der X- und in der Y-Richtung der Metallfolie;
- eine Verschränkung in der X- und in der Y-Richtung der Metallfolie (ähnlich Krepp-Papier).

Durch diese Maßnahmen beim Sintern mit quasi-hydrostatischem Druck wird die mechanische Beanspruchung der Metallfolie im Bereich der Chipkante reduziert und jegliches Reißen der Folie verhindert.
Sobald jedoch die Metallfolie in Kombination mit der uniaxialen Presse verwendet wird, ist der Höhenausgleich nicht mehr erforderlich. In diesem Fall wird jedes Halbleiterbauelement während des Sinterprozesses durch einen angepassten Stempel angepresst. Bei dieser Ausführung wird die Metallfolie nur an den Stellen verformt, an denen sich der Halbleiter befindet. Das wiederum hat den Vorteil, dass die Folie nicht über große Höhenunterschiede verformt wird, folglich die Folie nicht reißen wird. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Metallfolie als eine in einem Stück prozessierte Trennfolie zu verwenden.
Wird Aluminium als Metallfolie verwendet, ist ein kostengünstiges, recyclebares Material verfügbar.
Weil die Wärmeleitfähigkeit von Metallfolien viel besser ist als die von Kunststofffolien, können im Produktionsverfahren auch steilere Temperaturrampen genutzt werden.
Unter Annahme einer sauberen Produktion der Folie, hinterlässt speziell Aluminium keine schädlichen Rückstände auf der Halbleiteroberfläche. Schließlich wird sich Aluminium elektrostatisch nicht aufladen und keine hohe Spannung entwickeln, so dass die Halbleiterbauelemente geschützt sind.
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe mit einer einen Unterstempel und einen Oberstempel aufweisenden Sintervorrichtung, einer auf dem Unterstempel angeordneten elektronischen Baugruppe und einem zwischen dem Oberstempel und der elektronischen Baugruppe angeordneten Trennfolie vorgeschlagen, bei der die Trennfolie eine der elektronischen Baugruppe zugewandte Schicht aus Aluminium aufweist.
Nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Trennfolie eine Aluminiumfolie.
Nach einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Trennfolie eine Aluminiumbeschichtung. Nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Trennfolie eine Kunststofffolie mit Aluminiumbeschichtung. Insbesondere ist die Trennfolie eine Folie, die aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus Polyimid (PI) hergestellt ist.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, hat die Aluminiumschicht eine Dicke im Bereich von 0,03 mm bis 0,3 mm.
Die dem Halbleiter zugewandte Oberfläche der Beschichtung ist als Krepp ausgebildet. Das Wort Krepp bezieht sich auf eine krause Oberfläche, die durch zahlreiche Falten der Trennfolie oder der Beschichtung gebildet ist. Dadurch wird insbesondere während des Sinterpressens von höhenkontourierten Substraten mit Chips und anderen Komponenten ein Flächenvorrat an Folie geschaffen, sodass sich die Folie aus den Falten heraus vergrößern kann, ohne unmittelbar zu reißen. Die kreppartige Oberfläche passt sich also der Form des Untergrunds an, wenn der Ober- und der Unterstempel zusammengepresst sind. Dieses verbessert den Wärmeübergang von der Stempelheizung auf das Substrat und verteilt, frei von Druckspitzen, den quasi-hydrostatischen Druck auf die zu sinternden Oberflächen.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Trennfolie eine Mehrzahl von Schlitzen auf, die die Trennfolie perforieren. Diese Schlitze sind gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel parallel und/oder rechtwinklig zueinander ausgerichtet. Die Schlitze sind insbesondere dem Rand der Trennfolie benachbart angeordnet, wobei die Schlitze speziell außerhalb des Halbleiters und dem Rand des Halbleiters benachbart angeordnet sind. Dadurch, dass die Trennfolie nicht reißt, ist es möglich, die Trennfolie als ein Bandmaterial auszubilden und auf eine Rolle zu wickeln.
Ebenso wird ein Verfahren zum Sintern einer elektronischen Baugruppe mittels einer einen Unterstempel und einen Oberstempel aufweisenden Sintervorrichtung beansprucht, mit den Schritten (a) Anordnen einer zu sinternden elektronischen Baugruppe auf dem Unterstempel, (b) Abdecken der zu sinternden elektronischen Baugruppe mit einer Trennfolie, die eine Aluminiumschicht aufweist, wobei die Aluminiumschicht der zu sinternden elektronischen Baugruppe zugewandt ist und (c) Sintern der elektronischen Baugruppe durch Aufbringen eines Drucks auf die elektronische Baugruppe mittels der Stempel.
Schließlich wird eine Trennfolie mit einer auf einem Träger angeordneten Beschichtung aus Aluminium beansprucht.
Der Träger ist bevorzugt eine Folie aus Polytetrafluorethylen (PTFE).
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, hat die Aluminiumschicht eine Dicke, die von 0,03 mm bis 0,3 mm reicht.
Insbesondere ist die Trennfolie derart ausgestaltet, dass die Oberfläche der Beschichtung, die dem Träger gegenüberliegt, als Krepp ausgebildet ist.
Wie zuvor genannt hat die Trennfolie bevorzugt eine Mehrzahl von die Trennfolie perforierenden Schlitzen, die bevorzugt parallel und/oder rechtwinklig zueinander ausgerichtet und in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel dem Rand der Trennfolie benachbart angeordnet sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispielen erläutert, die auch in den beigefügten Ziechnungen dargestellt sind:

1 zeigt eine schematische Anordnung der Ausstattung, die zum Sintern einer elektronischen Baugruppe verwendet wird, in einem ersten Verfahrensschritt;
2 zeigt eine schematische Anordnung der Ausstattung, die zum Sintern einer elektronischen Baugruppe verwendet wird, in einem zweiten Verfahrensschritt;
3 zeigt eine schematische Draufsicht auuf eine bevorzugte Folie, die die zu sinternde Baugruppe bedeckt;
4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Anordnung aus 3;
5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Folie, die die zu sinternde Baugruppe bedeckt;
6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des beanspruchten Verfahrens.

1 zeigt bekannte Ausrüstung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe. Die Baugruppe besteht aus einem Substrat, das zwei Kupferschichten 1 und eine zwischen den Kupferschichten angeordnete Keramikschicht 2 aufweist. Ein Halbleiter 3 ist mit seinen elektrischen Kontakten 4, 5 auf der oberen Kupferschicht 1 angeordnet. Eine Aluminiumfolie ist als Trennfolie 6 zwischen dem Sinterstempel 7, der exakt über dem Halbleiter 3 angeordnet ist und dessen Höhe der Größe des Halbleiters 3 entspricht, und dem Halbleiter 3 angeordnet.
Während des in 2 gezeigten Sintervorgangs drückt der Stempel 7 durch die Trennfolie 6 auf den Halbleiter 3 und das Substrat 1, 2. Während dieses Vorgangs wird die Trennfolie 6 in dem Bereich des Halbleiters 3 verformt, aber nicht zerrissen. Dadurch, dass die Trennfolie 6 nicht zerreißt, ist es möglich, die Trennfolie als Band auszubilden und auf eine Rolle zu wickeln. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Trennfolie 6, die die zu sinternde Baugruppe bedeckt, wobei nur der Halbleiter 3, der von der Trennfolie 6 abgedeckt ist, gezeigt ist.
Die Trennfolie 6 weist insbesondere in einem dem dem Rand des Halbleiters 3 benachbart angeordneten Bereich, also in einem an den Halbleiter 3 angrenzenden Bereich, der den Halbleiter 3 nicht abdeckt, Schlitze 9 auf, die jegliche mechanische Belastung auf die Trennfolie 6 im Bereich der Halbleiterkanten reduzieren und die verhindern, dass die Trennfolie 6 zerreißt. Die Schlitze 9 befinden sich insbesondere parallel zu den Halbleiterkanten und sind somit in zueinander rechtwinkligen Richtungen angeordnet.
4 zeigt diesen Zusammenhang noch einmal eine schematische Seitenansicht der Anordnung aus 3.
5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Trennfolie 6, die die zu sinternde Baugruppe abdeckt. Die in 5 gezeigte Trennfolie 6 ist insofern besonders, dass die dem Träger gegenüberliegende Oberfläche der Beschichtung als Krepp ausgebildet ist.
Schließlich zeigt 6 ein schematisches Ablaufdiagramm des beanspruchten Verfahrens. Das Verfahren zum Sintern einer elektronischen Baugruppe mittels einer einen Unterstempel und einen Oberstempel aufweisenden Sintervorrichtung ist so bereitgestellt, dass zunächst eine zu sinternde elektronische Baugruppe auf dem Unterstempel angeordnet und die zu sinternde elektronische Baugruppe mit einer eine Aluminiumschicht aufweisenden Trennfolie bedeckt wird wobei die Aluminiumschicht der zu sinternden elektronischen Baugruppe zugewandt ist. Schließlich wird die mit der Trennfolie abgedeckte elektronische Baugruppe mittels der Stempel durch Anwenden von Druck auf die elektronische Baugruppe gesintert.

Claims

Anordnung zum Sintern einer elektronischen Baugruppe mit einer einen Unterstempel und einen Oberstempel aufweisenden Sintervorrichtung, einer auf dem Unterstempel angeordneten elektronischen Baugruppe und einer zwischen dem Oberstempel und der elektronischen Baugruppe angeordneten Trennfolie, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine aus Aluminium hergestellte Schicht aufweist, die der elektronischen Baugruppe zugewandt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine Aluminiumfolie ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine Aluminiumbeschichtung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine Kunststofffolie mit einer Aluminiumbeschichtung ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine Folie aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine Folie aus Polyimid (PI) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht eine Dicke aufweist, die von 0,03 mm bis 0,3 mm reicht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Halbleiter zugewandte Oberfläche der Beschichtung als Krepp ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine Mehrzahl von die Trennfolie perforierenden Schlitzen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze parallel und/oder rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze dem Rand der Trennfolie benachbart angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze außerhalb des Halbleiters und dem Rand der Trennfolie benachbart angeordnet sind.
Verfahren zum Sintern einer elektronischen Baugruppe mit einer Sintervorrichtung, die einen Unterstempel und einen Oberstempel aufweist, mit den Schritten: a. Anordnen einer zu sinternden elektronischen Baugruppe auf dem Unterstempel, b. Abdecken der zu sinternden elektronischen Baugruppe mit einer Trennfolie, die eine Aluminiumschicht aufweist, wobei die Aluminiumschicht der zu sinternden elektronischen Baugruppe zugewandt ist, c. Sintern der elektronischen Baugruppe durch Aufbringen von Druck auf die elektronische Baugruppe mittels der Stempel.
Trennfolie mit einer auf einem Träger angeordneten Beschichtung aus Aluminium.
Trennfolie nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine Folie aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.
Trennfolie nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Aluminium eine Dicke aufweist, die von 0,03 mm bis 0,3 mm reicht.
Trennfolie nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Beschichtung, die dem Halbleiter zugewandt ist, als Krepp ausgebildet ist.
Trennfolie nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie eine Mehrzahl von die Trennfolie perforierenden Schlitzen aufweist.
Trennfolie nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze parallel und/oder rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind.
Trennfolie nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze dem Rand der Trennfolie benachbart angeordnet sind.