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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem einstückig ausgebildeten Pressstempelelement und mit einem Gegenstempelelement zur stoffschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner, insbesondere von Bauteilen der Leistungselektronik, wobei das Pressstempelelement linear beweglich angeordnet und dazu ausgebildet ist in Richtung auf das Gegenstempelelement mit einer Presskraft bewegt zu werden, wobei zwischen dem Pressstempelelement und dem Gegenstempelelement die Verbindungspartner angeordnet sind.
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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 Pressstempel 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
DE 10 2007 047 698 A1 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von mindestens zwei Komponenten bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug. Das Unterwerkzeug weist die Komponenten auf, die verbunden werden sollen, wobei eine erste Komponente mindestens eine zweite Komponente mit einem zumindest teilweisen Überlapp relativ zur ersten Komponente trägt. Das Unterwerkzeug und das Oberwerkzeug können relativ zueinander bewegt werden. Das Oberwerkzeug trägt mindestens zwei heizbare Stempel, die verbunden sind, damit sie sich relativ zueinander über ein abgedichtetes Druckkissen bewegen können. Die Stempel und das Druckkissen weisen eine erste flexible Schicht zwischen sich auf. Eine zweite flexible Schicht ist zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug angeordnet.
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Die
DE 10 2017 116 372 B3 wie auch die
DE 10 2017 012 209 A1 offenbaren 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.
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Die
DE 10 2010 020 696 A1 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 Sinterbedigungen auf einem Substrat, wobei ein Oberstempel mit den Konturen des Halbleiterbauelements den Sinterdruck gegen einen Unterstempel hinter dem Substrat aufbringt.
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Die
DE 10 2008 048 869 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Fügepartners mit einem zweiten Fügepartner. Die Vorrichtung weist ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug auf. Das Oberwerkzeug umfasst einen Druckstempel mit einer dem Druckwerkzeug zugewandten Unterseite, an der ein Unterdruck erzeugbar ist, so dass der erste Fügepartner von dem Oberwerkzeug angesaugt und auf dem zweiten Fügepartner positioniert werden kann.
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Die
WO 2017/207 538 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines visko-elastischen Dämpfungskörpers umfassend mindestens ein Federelement und mindestens ein damit gekoppeltes Dämpfungselement, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Dämpfungselement sowie optional auch das Federelement über ein 3D-Druckverfahren erzeugt wird. Die Erfindung betrifft zudem einen visko-elastischen Dämpfungskörper, hergestellt oder herstellbar nach einem solchen Verfahren sowie einen Volumenkörper, umfassend oder bestehend aus einer Vielzahl von derartigen Dämpfungskörpern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Pressstempelelement verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit einem einstückig ausgebildeten Pressstempelelement und mit einem Gegenstempelelement zur stoffschlüssigen Drucksinterverbindung, eines ersten mit einem zweiten Verbindungspartner, insbesondere von Bauteilen der Leistungselektronik, wobei das Pressstempelelement linear beweglich angeordnet und dazu ausgebildet ist in Richtung auf das Gegenstempelelement mit einem Sinterdruck auf die Verbindungspartner zu drücken, wobei zwischen dem Pressstempelelement und dem Gegenstempelelement die Verbindungspartner angeordnet sind, und wobei das Pressstempelelement eine Mehrzahl von hervorstehenden Stempelfortsätzen aufweist, die dazu ausgebildet sind jeweils auf einzelne zugeordnete zweite Verbindungspartner oder auf zugeordnete Abschnitte eines zweiten Verbindungspartners Teilsinterdruck einzuleiten und wobei das Pressstempelelement einen vollständig elastisch komprimierbaren Federabschnitt zwischen einem Druckeinleitabschnitt und den Stempelfortsätzen aufweist und wobei das Pressstempelelement mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn das Pressstempelelement ausgebildet ist als ein metallischer Körper oder als ein Körper aus einem hochstabilen Kunststoff.
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Es kann insbesondere bevorzugt sein, wenn der Federabschnitt als eine homogene oder inhomogene Hohlräume ausbildende, insbesondere wabenförmige, Struktur oder als ein poröses Material, mit Strukturgrößen im Millimeter- oder Submillimeterbereich, oder als eine Kombination aus beiden ausgebildet ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Federabschnitt dazu ausgebildet ist durch einen Sinterdruck von 35 MPa auf einer Länge von einem Zentimeter zwischen 20 µm und 500 µm, bevorzugt zwischen 50 µm und 250 µm und insbesondere bevorzugt zwischen 80 µm und 120 µm vollständig reversibel komprimiert zu werden.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Stempelfortsätze in Richtung auf das Gegenstempelelement unterschiedlich weit aus dem Pressstempelelement hervorstehen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn verschiedene zweite Verbindungspartner unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen, insbesondere verschiedenen Höhen, aufweisen.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Stempelfortsätze voneinander durch Trennschlitze, die von der Unterseite des Pressstempelelements aus in dieses, vorzugsweise bis in den Federabschnitt, hineinreichen, voneinander entkoppelt sind. Unter entkoppelt soll hier und im Folgenden verstanden werden, dass einzelne Stempelfortsätze innerhalb der technisch möglichen und notwendigen Grenzen unabhängig voneinander komprimiert werden können. Auch diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn verschiedene zweite Verbindungspartner unterschiedliche geometrische Ausgestaltung, insbesondere verschiedenen Höhen, aufweisen.
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Es kann auch bevorzugt sein, wenn auf einer dem Gegenstempelelement zugewandten Stempelfläche eines der Stempelfortsätze ein elastischer Kunststoffkörper flächig angeordnet ist. Dieser Kunststoffkörper kann insbesondere ausgebildet sein als ein dünner flächiger Körper aus Silikonkautschuk.
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In manchen Anwendungsfällen kann es zudem vorteilhaft sein, wenn während des Pressvorgangs zwischen dem Pressstempelelement und den Verbindungspartnern eine nicht anhaftende Kunststofffolie, insbesondere eine PTFE Folie, mit einer Dicke zwischen 25 µm und 400 µm, insbesondere zwischen 200 µm und 300 µm, angeordnet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer oben genannten Vorrichtung zur stoffschlüssigen Verbindung wird mindestens eine der folgenden Verbindungen 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.
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Die stoffschlüssige Verbindung ist vorteilhafterweise eine Drucksinterverbindung.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale auch mehrfach in der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder bei deren erfindungsgemäßer Verwendung vorhanden sein.
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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 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.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 und 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 zeigt eine Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik in seitlicher Schnittansicht.
- 2 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in seitlicher Schnittansicht.
- 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in seitlicher Schnittansicht.
- 4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Pressstempelelements einer dritten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 5 zeigt dieses Pressstempelelement mit einer Mehrzahl erster und einem zweiten Verbindungspartner.
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1 zeigt eine Ausgestaltung einer Vorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik in seitlicher Schnittansicht. Dargestellt ist ein Werkstückträger, oder allgemeiner ein Gegenstempelelement 4 mit einer Aufnahme, in der eine leistungselektronische Schalteinrichtung, hier ein Substrat 5 eines Leistungshalbleitermoduls, eingelegt ist. Dieses Substrat 5 weist an seiner zweiten, dem Werkstückträger 4 abgewandten Seite eine strukturierte Metallschicht auf, die auf einem Isolierstoffkörper 500 stoffschlüssig angeordnet ist. Diese Metallschicht bildet die elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 502 einer leistungselektronischen Schalteinrichtung aus. Auf diesen Leiterbahnen 502 sind Leistungshalbleiterbauelemente 60 angeordnet.
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Das Substrat 5, genauer dessen Leiterbahnen 502, bildet den ersten Verbindungspartner aus, der mittels einer Drucksinterverbindung mit dem zweiten Verbindungspartner, hier den Leistungshalbleiterbauelementen 60, verbunden werden soll. Hierzu weisen die Verbindungspartner Verbindungsflächen mit jeweils einander zugewandten sinterbaren Oberflächen auf. Zudem ist zwischen den Verbindungspartnern bzw. deren Verbindungsflächen eine Schicht eines Sintermetalls 7 im ungesinterten Zustand, fachüblich ausgebildet als Sinterpaste, angeordnet.
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Die eigentliche Druckeinleitung 200 zur Drucksinterverbindung erfolgt durch einen Pressstempel 2, der hier vereinfacht als formstabiler Metallkörper 20 dargestellt ist, und über ein Kissenelement 22. Das Kissenelement 22 ist hier mit einer dem Substrat 5 zugewandten Fläche des Pressstempels 2 stoffschlüssig, mittels einer Klebeverbindung, und flächig verbunden.
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Das Kissenelement 22 ist hierbei ausgebildet aus einem Silikonkautschuk mit einer Shore-A Härte von ca. 55, und ist durch Zusatz von Eisen und Eisenoxid thermisch stabilisiert.
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Weiterhin dargestellt ist ein formstabiler Rahmen 24, zur seitlichen Abgrenzung desjenigen Raumes, in dem der quasihydrostatische Druck den das Kissenelement 22 während der Druckeinleitung 200 auf alle angrenzenden Oberflächen ausübt. In dieser Ausgestaltung ist der Rahmen 24 vor der eigentlichen Druckeinleitung zur Sinterverbindung auf den ersten Verbindungspartner, hier eine zugeordnete Oberfläche 510 des Substrats 5, absenkbar, wobei hier der erzeugte Druck 240 des Rahmens auf das Substrat 500 um mehrere Größenordnungen unterhalb desjenigen Drucks 200 zur Ausbildung der Sinterverbindung durch das Kissenelement liegt, jeweils dargestellt durch die unterschiedliche Größe der den Druck repräsentierenden Pfeile.
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Weiterhin dargestellt ist eine nicht an dem Substrat 5 samt darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 60 anhaftende Kunststofffolie 8, hier eine PTFE Folie, mit einer Dicke von ca. 60µm, die während des Sintervorgangs auf der Oberfläche des Substrats 5 samt Leistungshalbleiterbauelementen 60 angeordnet ist.
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Sobald der Rahmen 24 auf dem Substrat 5 aufliegt, wird der Presstempel 2 samt Kissenelement 3 abgesenkt und der zur Ausbildung der Drucksinterverbindung auf die zweiten Verbindungspartner notwenige Druck von hier ca. 35 MPa eingeleitet. Zwischenzeitlich kann das Gegenstempelelement 4 und damit das Substrat 5 und die Leistungshalbleiterbauelemente 60 auf ca. 210°C erhitzt werden, was der zügigen Ausbildung der Drucksinterverbindung dient.
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2 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in seitlicher Schnittansicht. Diese Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der oben genannten Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik dahingehend, dass der formstabile Metallkörper und das Kissenelement durch ein Pressstempelelement 3 ersetzt ist. Ein formstabiler Rahmen ist hier nicht notwendig. Das Presstempelelement 3 ist ausgebildet mit einer Mehrzahl von hervorstehenden Stempelfortsätzen 36 und mit einem vollständig elastisch, also reversibel komprimierbaren Federabschnitt 32 zwischen einem Druckeinleitabschnitt 30 und den Stempelfortsätzen 36. Diese Ausgestaltung umfasst weiterhin einen starren Stempelfortsatzabschnitt 34 aus dem die Stempelfortsätze 36 herausragen. Der Stempelfortsatzabschnitt 34 ist mittels Trennschlitzen 342,344 unterbrochen, die von einer Unterseite des Pressstempelelements 3, hier genauer von der Unterseite des Stempelfortsatzabschnitts 34, zumindest in diesen hineinreichen. Manche der Trennschlitze 342 reichen sogar bis in den Federabschnitt 32 hinein. Somit werden die einzelnen Stempelfortsätze 36 zumindest teilweise voneinander entkoppelt und können damit innerhalb der technischen Grenzen sich unabhängig voneinander bewegen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Bereich des Federabschnitts somit unabhängig von anderen Bereichen unterschiedlich stark komprimiert werden. Die Unterschiede in der Stärke der Kompression, also letztendlich der Längenänderung, liegen vorteilhafterweise nur im Einstelligen unteren Prozentbereich. Auf dem Stempelfortsatzabschnitt 34 des Presstempelelements 3 ist der Druckeinleitabschnitt 30 angeordnet, der den Sinterdruck 300 aufnimmt und über den Federabschnitt 32, den Stempelfortsatzabschnitt 34 und die Stempelfortsätze 36 auf die zugeordneten zweiten Verbindungspartner und dort aufgeteilt als jeweiligen Teilsinterdruck 302 einleitet.
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Zwischen dem Druckeinleitabschnitt 30 und dem Stempelfortsatzabschnitt 34 mit den Stempelfortsätzen 36 ist der Federabschnitt 32 angeordnet und vollständig elastisch komprimierbar ausgebildet. Hierzu ist dieser Federabschnitt 32 als ein metallischer Körper ausgebildet, der ohne Beschränkung der Allgemeinheit mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist das Pressstempelelement 3 einstückig ausgebildet, wodurch die jeweiligen Komponenten in einem einzigen Druckprozess im Rahmen des 3D-Druckverfahrens hergestellt werden. Der Federabschnitt 32 bildet homogene Hohlräume aus mit Strukturgrößen im Millimeterbereich. Ein einzelner Hohlraum hat hierbei eine maximale Ausdehnung von 2mm.
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Rein beispielhaft weist
- • das gesamte Presstempelelement 3 eine Höhe 900 zwischen 3 cm und 10 cm,
- • der Druckeinleitabschnitt 30 eine Höhe 930 zwischen 0,5 cm und 2 cm,
- • der Federabschnitt 32 eine Höhe 932 zwischen 2 cm und 8 cm,
- • der Stempelfortsatzabschnitt 34 eine Höhe 934 zwischen 0,2 cm und 1 cm und
- • der Stempelfortsatz 36 gegenüber dem Stempelfortsatzabschnitt 34 einen Vorstand 936 zwischen 0,1 cm und 0,5 cm auf.
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Während des Pressvorgangs, also während der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, ist zwischen dem Pressstempelelement 3 und dem zweiten Verbindungspartner eine nicht anhaftende PTFE-Folie 8 mit einer Dicke von 220 µm angeordnet. Diese besonders dicke Ausgestaltung der PTFE-Folie 8 dient der minimalen Homogenisierung des Teilsinterdrucks 302 der Oberfläche 360 der jeweiligen Stempelfortsätze 36, um den zweiten Verbindungspartner, hier das Leistungshalbleiterbauelement 60, nicht zu beschädigen.
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3 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in seitlicher Schnittansicht. In dieser Ausgestaltung ist der erste Verbindungspartner ausgebildet als ein leistungselektronisches Substrat 5 mit bereits darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 60. Der zweite Verbindungspartner ist ausgebildet als eine Verbindungseinrichtung 62 aus mehreren Folienlagen elektrisch leitfähiger und elektrisch isolierender Folien. Diese Verbindungseinrichtung 62 soll im Rahmen der Verwendung der Vorrichtung 1 stoffschlüssig mit dem Substrat 5 verbunden werden. Hierzu ist fachüblich zwischen den jeweiligen sich gegenüberliegenden Kontaktstellen eine Sinterpaste angeordnet.
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Der Teilsinterdruck 302 auf die jeweiligen Kontaktstellen wird hier wiederum durch einen erfindungsgemäßen Pressstempel 2 erzeugt. Dieses Pressstempelelement 3 ist hier ausgebildet als ein Körper aus einem hochstabilen Kunststoff, hergestellt mittels eines 3D-Druckverfahrens. Er weist einen Federabschnitt 32 mit einer inhomogenen Verteilung von Hohlräume auf. Diese Hohlräume sind hier grundsätzlich gleichartig ausgebildet, weisen allerdings unterschiedliche Dimensionierungen auf. Die Strukturgrößen liegen hier im Bereich von Zehntel Millimetern. Im Übrigen weist das Pressstempelelement 3 wiederum in einstückiger Ausbildung einen Druckeinleitabschnitt 30, einen Federabschnitt 32 und einen Stempelfortsatzabschnitt 34 mit einzelnen Stempelfortsätzen auf. Die einzelnen Stempelfortsätze 36 sind mittels Trennschlitzen 344, die von der Unterseite 340 des Pressstempelelements 3 aus in dieses hineinreichen, voneinander entkoppelt.
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Rein beispielhaft ist hier bei einem der Stempelfortsätze 36 auf seiner dem Gegenstempelelement 4 zugewandten Stempelfläche 360 ein elastischer Kunststoffkörper 362 flächig angeordnet. Dieser Kunststoffkörper 360 weist eins Dicke von nur einem Millimeter auf und besteht aus einem temperaturstabilen Silikonkautschuk.
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Während der Verwendung der Vorrichtung 1 ist zwischen dem Pressstempelelement 3 und den Verbindungspartnern eine weder an den Verbindungspartnern noch an dem Pressstempelelement 3 anhaftende PTFE Folie 8 mit einer Dicke von 250 µm angeordnet. Diese PTFE Folie 8 kann insbesondere dann dünner ausgebildet sein, wenn ein elastischer Kunststoffkörper 362 auf der Stempelfläche 360 angeordnet ist. In diesem Fall ist eine Dicke von 100 µm ausreichend.
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4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Pressstempelelements 3 einer dritten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dieses Pressstempelelement 3 ist hier ausgebildet ist als ein metallischer Körper, hergestellt mittels eines 3D-Druckverfahrens. Er weist einen Federabschnitt 32 mit einer porösen Struktur auf. Die Strukturgröße der Hohlräume dieser porösen Struktur liegen hier im Bereich von Zehntel Millimetern und darunter. Dieser Federabschnitt 32 ist dazu ausgebildet durch einen Sinterdruck von 35 MPa auf einer Länge von einem Zentimeter um 100 µm vollständig reversibel komprimiert zu werden.
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Im Übrigen weist das Pressstempelelement 3 wiederum in einstückiger Ausbildung einen Druckeinleitabschnitt 30, den beschriebenen Federabschnitt 32 und direkt hieran anschließende einzelne Stempelfortsätze 36 auf. Die einzelnen Stempelfortsätze 36 sind mittels Trennschlitzen 346 voneinander entkoppelt. Gestrichelt dargestellt sind die Stempelflächen 360 der einzelnen Stempelfortsätze 36.
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5 zeigt das Pressstempelelement 3 gemäß 4 beabstandet von einer Mehrzahl erster und einem zweiten Verbindungspartner. Der erste Verbindungspartner ist ein wie auch unter 1 und 2 beschriebenes leistungselektronisches Substrat 5, auf dessen hier gestrichelt dargestellter Oberfläche die zweiten Verbindungspartner, hier zwei Ausgestaltungen von Leistungshalbleiterbauelementen 60, angeordnet sind.
