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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von additiv erzeugten Strukturen auf einem Substrat, die eine besonders rationelle und genaue Fertigung der Strukturen auf dem Substrat ermöglicht, wenn die Strukturen aus einer relativ geringen Anzahl von Schichten bestehen bzw. eine relativ geringe Höhe aufweisen.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2019 217 293 A1 der Anmelderin ist eine Anlage zum Herstellen von additiv erzeugten Strukturen auf einem Substrat mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Die bekannte Anlage weist eine Förderstrecke auf, die derart ausgebildet, dass die auf Werkstückträgern angeordneten Substrate zunächst an einer Einschleusstation in eine Förderstrecke eingeschleust werden. Entlang der Förderstrecke befinden sich mehrere Bearbeitungsstationen, die dazu dienen, einen schichtweisen Aufbau der Strukturen auf dem Substrat zu ermöglichen. Nach Durchlauf der Bearbeitungsstationen werden die Werkstückträger bzw. Substrate anschließend im Bereich einer Ausschleusstation von der Förderstrecke entnommen bzw. abgeführt. Die somit bekannte Anlage arbeitet in einem Durchlaufverfahren, bei dem die Substarte die jeweiligen Bearbeitungsstationen jeweils nur einmal durchlaufen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Anlage zum Herstellen von additiv erzeugten Strukturen auf einem Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie beim Aufbau von der Schichten einer Struktur einen relativ geringen anlagentechnischen Aufwand benötigt. Insbesondere ist es nicht erforderlich, für jede Schicht jeweils eigene bzw. separate Beschichtungseinheiten und Bestrahlungseinheiten zu verwenden. Vielmehr liegt der Erfindung die Idee zugrunde, ein Substrat zum schichtweisen Aufbau der Strukturen mehrmals entlang ein und derselben Beschichtungseinheit sowie Bestrahlungseinheit zu führen.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen schlägt es daher die erfindungsgemäße Anlage zum Herstellen von additiv erzeugten Strukturen auf einem Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor, dass die Förderstrecke als endlos umlaufende Förderstrecke ausgebildet ist, sodass die Werkstückträger mit den Substraten zur Erzeugung mehrerer Schichten die gleiche Beschichtungseinheit und die gleiche Bestrahlungseinheit mehrmals durchlaufen.
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Vorzugsweise wird ein Substrat für elektronische Baugruppen verwendet. Die Substrate ermöglichen eine mechanische und/oder elektrische Anbindung von elektrischen Bauteilen. Beispiele für elektrische Bauteile sind Schalter in Leistungselektronik, beispielsweise B2-Brücken, die aus Halbleiterbauelementen bestehen. Diese elektrischen Bauteile sind insbesondere auf keramischen Substraten aufgebracht. Insbesondere Silizium oder Silizium-Carbid IGBT oder MOSFET Bauelemente werden dazu durch eine Lötverbindung oder eine Sinterverbindung mit dem Drain-Anschluss auf Direct-Bonded-Copper (DBC) oder Active-Metal-Brazed (AMB) Substrate angebunden. Die Substrate bestehen beispielsweise aus einer Multilage auf Kupfer, Keramik und Kupfer, wobei im Fall des AMB-Substrats zur Herstellung der Metall-Keramik-Verbindung zusätzlich noch ein Hartlot verwendet wird. Andere Alternativen der Substrate umfassen auch einfache Stanzgitter aus Metallen, oder sogenannte Insulator-Metal-Substrates (IMS).
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Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich vorzugsweise um ein metallisches Pulver. Das metallische Pulver besteht aus oder enthält Kupfer und/oder Aluminium und/oder eine Kupferlegierung und/oder eine Aluminiumlegierung. Alternativ oder zusätzlich enthält das metallische Pulver ein Komposit umfassend Kohlenstoff. In besonders vorteilhafter Weise ermöglicht der additive Aufbau ein Mischen der genannten Materialen zu einem Pulvergemisch, um so unterschiedliche Legierungen durch den Schmelzvorgang zu erzeugen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anlage zum Herstellen von additiv erzeugten Strukturen auf einem Substrat sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die erfindungsgemäße Anlage eignet sich besonders dazu, Strukturen auf dem Substrat auszubilden, die der elektrischen Kontaktierung und/oder Kühlung der Substrate oder von mit den Substraten verbundener Leistungshalbleiterbauelemente dienen, wobei die Substrate beispielsweise als Logikhalbleitersubstrat bzw. Leistungshalbleitersubstrat ausgebildet sein können. Die Substrate sind darüber hinaus in dem Bereich, in dem der Aufbau der Strukturen erfolgt, typischerweise thermisch nicht sehr stark belastbar, sodass der Eintrag von Wärme in die Substrate bei Aufbau der Strukturen möglichst gering sein sollte. Vor diesem Hintergrund ist es daher von besonderem Vorteil, wenn die Anlage derart ausgebildet ist, dass im Bereich der Förderstrecke eine Kühleinrichtung zum zumindest mittelbaren Kühlen der Werkstückträger im Bereich der Substrate angeordnet ist.
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Hinsichtlich der Ausbildung bzw. Anordnung der Kühleinrichtung ist es von besonderem Vorteil, wenn die Kühleinrichtung in Förderrichtung der Werkstückträger betrachtet der Bestrahlungseinheit vorgeschaltet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass vor dem (selektiven) Aufschmelzen der durch die Beschichtungseinheit gerade aufgebrachten Schicht eine Kühlung des Substrats erfolgt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung in einem von der Bestrahlungseinheit separaten Bereich, beispielsweise außerhalb der Aufbaueinheit, in Wirkverbindung mit dem Werkstückträger gebracht wird, um diesen beispielsweise durch Kontakt mit einem gekühlten Element der Kühleinrichtung herabzukühlen.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass die Kühleinrichtung im Bereich der Bestrahlungseinheit bzw. in der Aufbaueinheit angeordnet ist. Dies bewirkt eine besonders effektive Kühlung des Substrats, da kein zeitlicher Verzug für den Transport des Werkstückträgers zwischen der Kühleinrichtung und der Bestrahlungseinheit vorhanden ist. Darüber hinaus kann die Kühlung nicht nur vor dem Aufschmelzen des Materials durch die Bestrahlungseinheit erfolgen, sondern auch während der Bestrahlung und danach, um eine besonders effektive Wärmeabfuhr bzw. Kühlung des Substrats zu ermöglichen.
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Zur Verringerung von Prozesszeiten einerseits, und zur Verbesserung der Positionsgenauigkeit des Werkstückträgers relativ zu den Bearbeitungsstationen andererseits ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Beschichtungseinheit und die Bestrahlungseinheit im Bereich einer gemeinsamen Aufbaueinheit angeordnet sind, wenn die Beschichtungseinheit dazu ausgebildet ist, beim Entlangbewegen eines Werkstückträgers in der Aufbaueinheit jeweils eine Schicht der Struktur auf das Substrat abzugeben, und wenn die Bestrahlungseinheit dazu ausgebildet ist, beim Entlangbewegen des Werkstückträgers in der Aufbaueinheit die zuvor aufgetragene Schicht selektiv aufzuschmelzen.
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Zum Einschleusen und Ausschleusen der Werkstückträger in die bzw. aus der Förderstrecke ist es darüber hinaus vorteilhaft, dass die Einschleusstation und die Ausschleusstation über Schleusen mit der in einem abgeschlossenen Gehäuse befindlichen Förderstrecke gekoppelt sind. Dadurch wird eine geschützte Anordnung der Bearbeitungsstationen ermöglicht, und es kann mit einfachen Mitteln eine Bearbeitung der Substrate sowie ein Handling des Aufbaumaterials für die Strukturen beispielsweise in einer inerten Schutzgasatmosphäre realisiert werden.
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Zur genauen Erfassung der Position eines Werkstückträgers oder eines Substrats im Bereich der Aufbaueinheit ist es darüber hinaus von besonderem Vorteil, wenn im Bereich der Aufbaueinheit vorzugsweise optisch arbeitende Erfassungsmittel zur Erfassung von an den Werkstückträgern oder den Substarten angeordneten Positionsmarken vorgesehen sind, die dazu ausgebildet sind, eine Erfassung einer 3-dimensionalen Position des Werkstückträgers oder der Substrate in der Aufbaueinheit zu ermöglichen, und mit Verstellmittel zur zumindest mittelbaren Veränderung zumindest eines Elements der Beschichtungseinheit und/oder der Bestrahlungseinheit in der Aufnahmekammer anhand der erfassten Position des Werkstückträgers oder der Substrate. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass aufgrund der erfassten Position des Werkstückträgers auch auf die Position des Substrats geschlossen wird, sodass eine hochgenaue Verstellung der Beschichtungseinheit zum Aufbringen einer Schicht für die Struktur sowie ggf. eine Verstellung eines optischen Systems der Bestrahlungseinheit zum selektiven Aufschmelzen der Schicht erfolgen kann. Die Positioniergenauigkeit kann darüber hinaus weiter verbessert werden, indem der Werkstückträger so ausgebildet ist, dass auf den Substraten ggf. vorhandene Positionier-/Justagemarken vor optischen Störungen geschützt sind. Dadurch kann eine 3D-Positionierung im sub-µm Bereich realisiert werden.
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Auch hinsichtlich der Ausgestaltung der Fördereinrichtung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Fördereinrichtung als kontinuierlich arbeitende Fördereinrichtung ausgebildet ist, und dass Mittel zum zeitweisen Stoppen eines Werkstückträgers beim Fördern entlang der Förderstrecke vorgesehen sind. Diese können zum Beispiel dazu dienen, einen Werkstückträger in einer (stationären) Kühleinrichtung über einen längeren Zeitraum zu kühlen oder andere Bearbeitungsschritte am Substrat durchzuführen, bei denen der Werkstückträger bzw. das Substrat ortsfest angeordnet sein sollte.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine Entpulvereinheit, vorzugsweise nahe der Ausschleusstation, angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, von dem Werkstückträger bzw. dem Substrat entferntes Pulver zum Aufbau weiterer Schichten der Struktur verwenden zu können, ohne dass das Pulver aus dem hermetisch abgeriegelten Bereich der Anlage entfernt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer schematisierten, stark vereinfachten Draufsicht eine Anlage zum Herstellen von additiv erzeugten Strukturen auf einem Substrat,
- 2 einen Werkstückträger zur Verwendung bei der Anlage gemäß 1 mit darauf angeordnetem Substrat und teilweise hergestellten Strukturen in einem Längsschnitt und
- 3 eine schematische Darstellung einer Aufbaueinheit mit einer darin angeordneten Beschichtungseinheit und einer Bestrahlungseinheit zum Aufbau der Strukturen auf dem Substrat.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die in den Figuren dargestellte Anlage 100 dient dem Herstellen von additiv erzeugten Strukturen 2 auf einem Substrat 1. Bei dem Substrat 1 (2) kann es sich insbesondere um eine Logikhalbleiterbaugruppe oder um eine Leistungshalbleiterbaugruppe handeln. Die in einem additiven (bzw. generativen) Herstellverfahren erzeugten Strukturen 2, die aus wenigstens einer, typischerweise jedoch aus mehreren übereinander angeordneten Schichten aus einem metallischen Aufbaumaterial (Metallpulver) bestehen, dienen insbesondere der elektrischen Kontaktierung der Substrate 1 mit anderen Bauelementen bzw. anderen Schaltungsträgern.
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Als additive Herstellverfahren kommt insbesondere das sogenannte pulverbettbasierte Auftragsverfahren zur Anwendung, bei dem schichtweise aufgebrachtes Aufbaumaterial (Metallpulver) anschließend selektiv mittels eines hochenergetischen Strahls, insbesondere in Form eines Laserstrahls, aufgeschmolzen wird. Das aufgeschmolzene Material bildet nach seinem Erstarren eine Schicht der Struktur aus. Jedoch können grundsätzlich auch andere, dem jeweiligen Anwendungsfall angepasste additive Herstellverfahren bei der Anlage 100 zur Anwendung kommen.
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Die Anlage 100 weist eine endlos umlaufende Förderstrecke 10, rein beispielhaft in Form eines Ovals 12 auf, auf dem Werkstückträger 15 in Richtung der Pfeile 16 entlangbewegt werden. Der Transport der Werkstückträger 15 erfolgt mittels an sich bekannter Fördermittel bzw. einer Fördereinrichtung 18, die beispielsweise als Förderband mit Riemen o.ä. Elementen ausgebildet sein kann und als kontinuierlich ausgebildete Fördereinrichtung 18 ausgebildet ist.
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Das Einschleusen bzw. Ausschleusen der Werkstückträger 15 in bzw. aus der Förderstrecke 10 erfolgt im Bereich einer Einschleusstation 21 bzw. einer Ausschleusstation 22. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Einschleusstation 21 bzw. der Ausschleusstation 22 Schleusen 23, 24 zugeordnet sind, die ein Gehäuse 25 begrenzen, in dem die Förderstrecke 10 sowie Bearbeitungsstationen für die Substrate 1 angeordnet sind. Weiterhin ist im Bereich vor der Ausschleusstation 22, innerhalb des Gehäuses 25, eine Entpulverstation 27 angeordnet.
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Im Bereich der Förderstrecke 10 der Anlage 100 ist eine Kühleinrichtung 26 vorgesehen, die in dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in Förderrichtung der Werkstückträger 15 betrachtet vor einer Aufbaueinheit 28 angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung 26 und die Aufbaueinheit 28 beispielhaft als separate Baueinheiten ausgebildet sind.
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Wie insbesondere anhand der 3 erkennbar ist, ist innerhalb der Aufbaueinheit 28 eine Beschichtungseinheit 30 angeordnet. Die Beschichtungseinheit 30 dient dem Aufbringen des Aufbaumaterials A (Metallpulver) zum Ausbilden einer Schicht der Struktur 2. Hierzu weist die Beschichtungseinheit 30 ein aus dem Stand der Technik an sich bekanntes Dosierelement 32 in Form einer Schütte auf, über das das Aufbaumaterial A auf die Oberseite des Substrats 1 im Bereich der aufzubringenden Struktur 2 abgegeben wird. Ein an der Unterseite des Dosierelements 32 angeordneter Rakel 33 sorgt beim Entlangbewegen des auf dem Werkstückträger 15 angeordneten Substrats 1 für die Ausbildung einer ebenen Oberfläche des Aufbaumaterials A. Das Dosierelement 32 ist mittels einer Verstelleinrichtung 34 vertikal verstellbar angeordnet, um den entsprechend des Aufbaufortschritts benötigten Abstand von der Substratoberfläche einzustellen.
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Weiterhin ist die Dosiereinheit 32 mit einem Vorratsspeicher 35 für das Aufbaumaterial A gekoppelt ist. Die Ansteuerung der Verstelleinrichtung 34, die aufgrund der getrennten Anordnung von Dosierelement 32 und Vorratsspeicher 35 lediglich eine relativ geringe Masse bewegen muss, erfolgt mittels einer Justageeinheit 36.
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Zusätzlich ist innerhalb der Aufbaueinheit 28 eine Bestrahlungseinheit 40 für das Aufbaumaterial A angeordnet, die typischerweise eine Laserstrahleinrichtung 42 zur Erzeugung eines Laserstrahls LS umfasst. Der Laserstrahl LS wird vorzugsweise über eine Optikeinheit 43 auf die Oberfläche des Aufbaumaterials A geleitet bzw. umgelenkt, um dieses selektiv aufzuschmelzen. Auch die Laserstrahleinrichtung 42 bzw. die Optikeinheit 43 ist von der Justageeinheit 36 ansteuerbar, insbesondere derart, dass beim Überfahren der aufzuschmelzenden Bereiche einer Schicht der Struktur 2 der Laserstrahl LS nicht nur hinsichtlich seiner horizontalen Position auf dem Substrat 1 entlangbewegt, sondern auch hinsichtlich seiner Fokuslage verstellt werden kann.
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Zur bedarfsgerechten Ansteuerung der Dosiereinheit 32 und der Bestrahlungseinheit 40 durch die Justageeinheit 36 ist es erforderlich, die genaue 3-dimensionale Position des Werkstückträgers 15 und somit auch des darauf befindlichen Substarts 1 innerhalb der Aufbaueinheit 28 zu kennen.
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Hierzu ist es vorgesehen, dass entsprechend der 2 der Werkstückträger 15 beispielhaft zwei Alignmentmarken 44, 46 an der Oberseite bzw. einer Seitenfläche aufweist, die beispielsweise in Form von Kreuzen optische Merkmale darstellen, die mittels einer Erfassungseinrichtung 50, die in der Aufbaueinheit 28 angeordnet bzw. dieser zugeordnet ist, erfassbar sind. Die erfassten Positionen der Alignmentmarken 44, 46 werden der Justageeinheit 36 als Eingangsgrößen zugeführt, die dann das Dosierelement 32 und die Optikeinheit 43 der Laserstrahleinrichtung 42 bedarfsgerecht ansteuert bzw. bewegt.
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Ergänzend wird erwähnt, dass die Positioniergenauigkeit darüber hinaus weiter verbessert werden kann, indem der Werkstückträger 15 so ausgebildet ist, dass auf den Substraten 1 ggf. vorhandene Positionier-/Justagemarken vor optischen Störungen geschützt sind. Dadurch kann eine 3D-Positionierung im sub-µm Bereich realisiert werden (nicht dargestellt).
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Um beim Aufbauen einer Schicht der Struktur 2 die thermische Belastung des Substrats 1 zu minimieren, wenn der Laserstrahl LS auf das Aufbaumaterial A (Metallpulver) bzw. das Substrat 1 einwirkt, kann es vorgesehen sein, dass - wie in der 1 dargestellt - der Aufbaueinheit 28 die Kühleinrichtung 26 vorgeschaltet ist. In diesem Fall kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Werkstückträger 15 durch Anlagekontakt oder durch Zuführen von gekühltem Medium, wie Stickstoff, auf eine Temperatur herabgekühlt wird, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Dadurch findet bei der Einwirkung des Laserstrahls LS eine Wärmeabfuhr von dem erwärmten Substrat 1 bzw. dem geschmolzenen Aufbaumaterial über das Substrat 1 an den Werkstückträger 15 statt, ohne dass das Substrat 1 eine kritische Temperatur überschreitet.
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Alternativ oder aber anstelle einer von der Aufbaueinheit 28 örtlich getrennten Kühleinrichtung 26 kann es auch vorgesehen sein, dass entsprechend der Darstellung der 2 und 3 im Bereich des Werkstückträgers 15 Kühlkanäle 54 o.ä. Elemente vorgesehen sind, die innerhalb der Aufbaueinheit 28 beispielsweise über eine Kühleinrichtung 26a mit Kühlmedium durchströmt werden, um unmittelbar bei der Einwirkung des Laserstrahls LS auf das Aufbaumaterial A eine Kühlung des Substrats 1 an dem Werkstückträger 15 zu bewirken, um die Temperatur des Substrats 1 unter einem kritischen Wert zu halten.
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Die soweit beschriebene Anlage 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019217293 A1 [0002]
