DE102019117091B4 - Vorrichtung zur stoffschlüssigen Verbindung von Verbindungspartnern eines Leistungselektronik-Bauteils und Verwendung der Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden - Google Patents

Vorrichtung zur stoffschlüssigen Verbindung von Verbindungspartnern eines Leistungselektronik-Bauteils und Verwendung der Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (1) mit einem Pressstempel (2) und mit einem elastischen Kissenelement (3) zur stoffschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner (5,6) insbesondere von Bauteilen der Leistungselektronik, wobei das elastische Kissenelement (3) von einem formstabilen Rahmen (4) umgeben ist, innerhalb welchem das Kissenelement (3) und ein Montageelement (20) des Pressstempels (2) derart linear beweglich geführt werden, dass sich der formstabile Rahmen (4) auf den ersten Verbindungspartner (5) oder einen Werkstückträger (7) mit dazu angeordnetem ersten Verbindungspartner (5), absenkt und nach Anliegen an diesem der Presstempel (2) samt elastischem Kissenelement (3) auf den zweiten Verbindungspartner (6) abgesenkt wird und das elastische Kissenelement (3) den notwendiger Druck ausübt, um den ersten mit dem zweiten Verbindungspartner (5,6) zu verbinden und wobei das Kissenelement (3) eine elastischen Hülle (30,32) und ein durch diese Hülle (30,32) eingeschlossenes flüssiges oder gelartiges Medium (34) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Pressstempel und mit einem elastischen Kissenelement zur stoffschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner insbesondere von Bauteilen der Leistungselektronik.
  • Die US 2014/0263581 A1 betrifft die Ausbildung eines guten Verbindungszustands zwischen den Elektrodenanschlüssen elektronischer Komponenten und den Elektroden eines Substrats und erreicht eine Steigerung der Produktivität und eine Verkleinerung des Substrats. Das Verfahren umfasst: einen Aufbringungsschritt zum Aufbringen einer feinen Metallpulverpaste auf jede von mehreren Elektroden, die auf einem Substrat vorgesehen sind; einen Komponentenplatzierungsschritt zum Platzieren mehrerer elektronischer Komponenten mit unterschiedlichen Höhen auf den mehreren Elektroden; einen organischen Filmplatzierungsschritt zum Platzieren eines organischen Films auf den mehreren elektronischen Bauteilen; einen organischen Filmkompressionsschritt des Anlegens eines ersten Drucks auf die Seite der elektronischen Komponente mit einem Presselement und Ausgleichen der Höhe des organischen Films; und einen Verbindungsschritt des Anlegens eines zweiten Drucks auf die Seite der elektronischen Komponente mit einem Kompressionselement beim Erhitzen für eine vorbestimmte Zeit und Sintern der feinen Metallpulverpaste.
  • Die DE 10 2015 120 156 A1 offenbart als Stand der Technik eine Vorrichtung ausgebildet mit einem ein elastisches Kissenelement aufweisenden Pressstempel zur stoffschlüssigen 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 Kissen ein notwendiger Druck ausgeübt wird um den ersten mit dem zweiten Verbindungspartner zu verbinden.
  • Die DE 10 2014 206 608 A1 offenbart ein Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelements auf einem Substrat. Erfindungsgemäß wird das Fügen durch eine Haube vereinfacht, indem in diese Haube eine Kontaktierungsstruktur vorgesehen ist und diese beim Aufsetzen der Haube auf verschiedenen Fügeleveln gleichzeitig mit einem Zusatzwerkstoff gefügt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Haube, welche zur Anwendung in dem genannten Verfahren geeignet ist. Erfindungsgemäß besteht die Haube aus einem thermisch erweichbaren oder thermisch aushärtbaren Material, vorzugsweise aus einem Harz oder einem thermoplastischen Kunststoff. Die Haube wird vorzugsweise beim Fügen der Verbindungen soweit erwärmt, dass diese sich plastisch verformen lässt. Vorteilhaft werden auf diese Weise Toleranzen beim Fügen ausgeglichen, so dass es zu einer zuverlässigen Ausbildung aller Verbindungen kommen kann. Außerdem kann über die Haube ein erforderlicher Fügedruck aufgebaut werden, wie er beispielsweise bei Diffusionsverbindungen oder Sinterverbindungen der elektrischen Kontakte erforderlich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Anpassung des Kissenelements an die Oberflächenkontur der Verbindungspartner verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit einem Pressstempel und mit einem elastischen Kissenelement zur stoffschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner insbesondere von Bauteilen der Leistungselektronik, wobei das elastische Kissenelement von einem formstabilen Rahmen umgeben ist, innerhalb welchem das Kissenelement und ein Montageelement des Pressstempels derart linear beweglich geführt werden, dass sich der formstabile Rahmen auf den ersten Verbindungspartner oder einen Werkstückträger mit dazu 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 und wobei das Kissenelement eine elastische Hülle und ein durch diese Hülle eingeschlossenes flüssiges oder gelartiges Medium aufweist. Der Werkstückträger kann hierbei integraler Bestandteil der Vorrichtung sein, oder auf einem Gegenstempelelement aufliegen, das dann integraler Bestandteil der Vorrichtung ist. Im letztgenannten Fall werden bei der Verwendung der Vorrichtung die Werkstückträger in die Vorrichtung eingebracht und bilden somit temporär einen Teil des Gegenstempelelements der Vorrichtung aus.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn die Hülle des Kissenelements aus einem Silikonkautschuk besteht und dieser vorzugsweise eine Shore-A Härte zwischen 25 und 100, insbesondere zwischen 50 und 75 aufweist. Ebenso vorteilhaft kann es sein, wenn der Silikonkautschuk eine Dicke im Bereich von 0,5mm bis 5mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3mm aufweist. Es ist hierbei bevorzugt, wenn der Silikonkautschuk 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 40 MPa eingesetzt werden kann.
  • Es ist insbesondere bevorzugt, wenn die Hülle als Blase gefüllt mit dem Medium ausgebildet ist, hierbei also das Medium vollständig von der als Blase ausgebildeten Hülle umschlossen ist. Die Blase ist dann vorzugsweise stoffschlüssig mittels einer Klebeverbindung mit dem Pressstempel, genauer einem Oberflächenabschnitt des Presstempels, der dem Werkstückträger zugewandt ist, verbunden. Alternativ hierzu kann die Hülle mit dem Pressstempel in einem umlaufenden Randbereich form-, kraft- oder stoffschlüssig verbunden sein und in dem so ausgebildeten Volumenbereich das Medium angeordnet sein. Hierzu weist dann bevorzugt der Pressstempel eine verschließbare und druckdichte Einfüllöffnung für das Medium auf.
  • Vorzugsweise liegt der Siedepunkt des Mediums über 200°C, bevorzugt über 250°C.
  • Vorteilhafte Medien sind ausgewählt aus den Gruppen:
    • • der Silikonflüssigkeiten, oder
    • • der Silikonfette, oder
    • • der Öle, oder
    • • der bei Normalbedingungen flüssigen Metalle, insbesondere eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, oder
    • • der Salzschmelzen, insbesondere Natriumthiosulfat, oder
    • • der Phasenwechselmaterialien. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Phasenwechseltemperatur, bei der das Phasenwechselmaterial von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand wechselt im Bereich zwischen 50°C und 250°C, insbesondere zwischen 80°C und 200°C, liegt.
  • Wesentlich ist hierbei, dass der Schmelzpunkt oberhalb von 50°C, bevorzugt oberhalb von 20°C, jeweils gemessen bei Normaldruck von 1013 hPa liegt.
  • Der Bereich der Viskosität des Mediums kann im Grunde sehr breit sein und bevorzugt zwischen 1 mPa·s und 106 mPa·s liegen. Besonders bevorzugte Werte liegen im Bereich zwischen 102 mPa·s und 105 mPa·s.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn während des Pressvorgangs zwischen dem Kissenelement und den Verbindungspartnern eine nicht anhaftende Kunststofffolie, insbesondere eine PTFE Folie, mit einer Dicke zwischen 25 µm und 200 µm, insbesondere zwischen 50 µm und 100 µm, angeordnet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer oben genannten Vorrichtung zur stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere Drucksinterverbindung, wird mindestens eine der folgenden Verbindung ausgebildet:
    • • die Verbindung eines Substrates mit einem Kühlkörper;
    • • die Verbindung eines Leistungshalbeiterbauelementes mit einem Substrat;
    • • die Verbindung eines Anschlusselementes mit einem Substrat oder mit einem Leistungshalbleiterbauelement,
    • • die Verbindung eines Folienverbunds, vorzugsweise ausgebildet als interne Verbindungseinrichtung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung mit einem Leistungshalbleiterbauelement und/oder einem Substrat.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere der zweite Verbindungspartner, auch mehrfach in der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder bei deren erfindungsgemäßer Verwendung vorhanden sein.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale, gleichgültig ob sie im Rahmen der Schalteinrichtung oder der Vorrichtung oder deren Verwendung beschrieben 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 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer ersten leistungselektronischen Schalteinrichtung.
    • 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer zweiten leistungselektronischen Schalteinrichtung.
  • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer ersten leistungselektronischen Schalteinrichtung. Dargestellt ist ein Werkstückträger 7, oder allgemeiner ein Gegenstempelelement, in dessen Aufnahme eine leistungselektronische Schalteinrichtung, hier ein Substrat 500 eines Leistungshalbleitermoduls, eingelegt ist. Dieses Substrat 500 weist an seiner zweiten, dem Werkstückträger abgewandten Seite eine strukturierte Metallschicht auf, die auf einem Isolierstoffkörper 502 stoffschlüssig angeordnet ist. Diese Metallschicht bildet die Leiterbahnen 504 der leistungselektronischen Schalteinrichtung aus. Auf diesen Leiterbahnen 504 sind Leistungshalbleiterbauelemente 600 angeordnet.
  • Das Substrat 500, genauer dessen Leiterbahnen 504, bildet den ersten Verbindungspartner 5 aus, der mittels einer Drucksinterverbindung mit dem zweiten Verbindungspartner 6, hier den Leistungshalbleiterbauelementen 600 verbunden werden soll. Hierzu weisen die Verbindungspartner 5,6 Verbindungsflächen mit sinterbaren Oberflächen auf. Zudem ist zwischen den Verbindungspartnern 5,6 bzw. deren Verbindungsflächen eine nicht dargestellte Schicht eines Sintermetalls im ungesinterten Zustand angeordnet.
  • Die eigentliche Druckeinleitung 200 zur Drucksinterverbindung erfolgt durch einen Pressstempel 2, der hier vereinfacht als formstabiler Metallkörper 20 dargestellt ist, und über ein Kissenelement 3. Das Kissenelement 3, genauer dessen Hülle 30, ist hier mit einer dem Substrat 500 zugewandten Fläche des Pressstempels 2 stoffschlüssig, mittels einer Klebeverbindung, und flächig verbunden.
  • Das Kissenelement 3 ist hierbei ausgebildet als eine Blase gefüllt mit einem Medium 34. Die Blase 30 selbst hat eine Dicke von 2 mm und besteht aus einem Silikonkautschuk mit einer Shore-A Härte von ca. 55, und ist durch Zusatz von Eisen und Eisenoxid stabilisiert. Das Medium 34 ist hier ein Silikonfett 340 mit einer Viskosität von ca. 5.000 mPa·s, gemessen bei Normalbedingungen.
  • Weiterhin dargestellt ist ein formstabiler Rahmen 4, zur seitlichen Abgrenzung desjenigen Raumes, in dem der quasihydrostatische Druck den das Kissenelement 3 auf alle angrenzenden Oberflächen ausübt. In dieser Ausgestaltung ist der Rahmen 4 vor der eigentlichen Druckeinleitung zur Sinterverbindung auf den ersten Verbindungspartner 5, hier das Substrat 500 absenkbar, wobei hier der erzeugte Druck 400 auf das Substrat 500 um mehrere Größenordnungen unterhalb desjenigen Drucks 200 zur Ausbildung der Sinterverbindung liegt, dargestellt durch die unterschiedliche Größe der den Druck repräsentierenden Pfeile.
  • Weiterhin dargestellt ist eine nicht an dem Substrat 500 samt darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 600 anhaftende Kunststofffolie 8, hier eine PTFE Folie, mit einer Dicke von ca. 60µm, die während des Sintervorgangs auf der Oberfläche des Substrats 500 samt Leistungshalbleiterbauelementen 600 angeordnet ist. Sobald der Rahmen 4 auf dem Substrat 500 aufliegt, kann der Presstempel 2 samt Kissenelement 3 abgesenkt werden und der zur Ausbildung der Drucksinterverbindung auf die zweiten Verbindungspartner notwenige Druck von hier ca. 25 MPa eingeleitet werden. Zwischenzeitlich kann der Werkstückträger 7 und damit das Substrat 500 und die Leistungshalbleiterbauelemente 600 auf ca. 210°C erhitzt werden, was der zügigen Ausbildung der Drucksinterverbindung dient.
  • 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer zweiten leistungselektronischen Schalteinrichtung. Diese Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der oben genannten, ersten Ausgestaltung einerseits dadurch, dass hier der formstabile Rahmen 4 nicht auf einen oder beide Verbindungspartner abgesenkt wird und auf diese drückt. Vielmehr wird hier der Rahmen 4 auf den Werkstückträger 7 und dort seitlich neben den Verbindungspartnern 5,6 abgesenkt. Bei dieser Ausgestaltung drückt der Rahmen 4 mit gleicher Kraft wie oben beschrieben umlaufend um die Verbindungspartner auf den Werkstückträger 7.
  • Andererseits unterscheidet sich hier auch der Pressstempel 2 und das Kissenelement 3. Bei dieser zweiten Ausgestaltung ist die Hülle 32 mit dem Pressstempel 2 in einem umlaufenden Randbereich kraftschlüssig verbunden. Hierzu ist ein Abschnitt der Hülle 32 in einer benachbart zu dem Rahmen umlaufenden Nut 22 eingespannt. Der dadurch entstehende Volumenbereich zwischen dem Pressstempel und der Hülle ist über eine Einfüllöffnung mit einem Öl 342 als Medium 34 befüllt.
  • Der erste Verbindungspartner 5 ist in dieser Darstellung ein leistungselektronisches Substrat 500 mit hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 524. Der zweite Verbindungspartner 6 ist hier eine leistungselektronische Verbindungseinrichtung 620 ausgebildet als ein Folienstapel aus elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Folien. Die übrige Ausgestaltung der Drucksinterverbindung erfolgt analog derjenigen gemäß 1.

Claims (9)

  1. Vorrichtung (1) mit einem Pressstempel (2) und mit einem elastischen Kissenelement (3) zur stoffschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner (5,6) insbesondere von Bauteilen der Leistungselektronik, wobei das elastische Kissenelement (3) von einem formstabilen Rahmen (4) umgeben ist, innerhalb welchem das Kissenelement (3) und ein Montageelement (20) des Pressstempels (2) derart linear beweglich geführt werden, dass sich der formstabile Rahmen (4) auf den ersten Verbindungspartner (5) oder einen Werkstückträger (7) mit dazu angeordnetem ersten Verbindungspartner (5), absenkt und nach Anliegen an diesem der Presstempel (2) samt elastischem Kissenelement (3) auf den zweiten Verbindungspartner (6) abgesenkt wird und das elastische Kissenelement (3) den notwendiger Druck ausübt, um den ersten mit dem zweiten Verbindungspartner (5,6) zu verbinden und wobei das Kissenelement (3) eine elastischen Hülle (30,32) und ein durch diese Hülle (30,32) eingeschlossenes flüssiges oder gelartiges Medium (34) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hülle (30,32) des Kissenelements (3) aus einem Silikonkautschuk besteht und vorzugsweise eine Shore-A Härte zwischen 25 und 100, insbesondere zwischen 50 und 75, wie auch vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5mm bis 5mm aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Silikonkautschuk 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 40 MPa eingesetzt werden kann.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülle (30) als Blase gefüllt mit dem Medium (34) ausgebildet ist oder wobei die Hülle (32) mit dem Pressstempel (2) in einem umlaufenden Randbereich form-, kraft- oder stoffschlüssig verbunden ist und in dem so ausgebildeten Volumenbereich das Medium (34) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Siedepunkt des Mediums (34) über 200°C, bevorzugt über 250°C beträgt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Medium (34) aus den Gruppen • der Silikonflüssigkeiten, oder • der Silikonfette (340), oder • der Öle (342), oder • der bei Normalbedingungen flüssigen Metalle, insbesondere eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, oder • der Salzschmelzen, insbesondere Natriumthiosulfat, oder • der Phasenwechselmaterialien ausgewählt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials, bei der das Phasenwechselmaterial von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand wechselt im Bereich zwischen 50°C und 250°C, insbesondere zwischen 80°C und 200°C, liegt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Pressvorgangs zwischen dem Kissenelement (3) und den Verbindungspartnern (5,6) eine nicht anhaftende Kunststofffolie (8), insbesondere eine PTFE Folie, mit einer Dicke zwischen 25 µm und 200 µm, insbesondere zwischen 50 µm und 100 µm, angeordnet ist.
  9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere Drucksinterverbindung, eines Substrates mit einem Kühlkörper und/oder eines Leistungshalbeiterbauelementes (600) mit einem Substrat (500) und/oder eines Anschlusselementes mit einem Substrat oder mit einem Leistungshalbleiterbauelement und/oder eines Folienverbunds (620) mit einem Leistungshalbleiterbauelement (524) und/oder einem Substrat (500).
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