EP2928630A1 - Verfahren zum verbinden von wenigstens zwei komponenten unter verwendung eines sinterprozesses - Google Patents

Verfahren zum verbinden von wenigstens zwei komponenten unter verwendung eines sinterprozesses

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EP2928630A1
EP2928630A1 EP13773796.1A EP13773796A EP2928630A1 EP 2928630 A1 EP2928630 A1 EP 2928630A1 EP 13773796 A EP13773796 A EP 13773796A EP 2928630 A1 EP2928630 A1 EP 2928630A1
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EP
European Patent Office
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polymerizable
temperature
polymeric
organic compound
equal
Prior art date
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Ceased
Application number
EP13773796.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andrea Feiock
Michael Guenther
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten (18, 20) unter Verwendung eines Sinterprozesses. Um den Sinterprozess zu verbessern, umfasst das Verfahren die Verfahrensschritte:a) Bereitstellen eines Ausgangswerkstoffs (10) einer Sinterverbindung (22), umfassend sinterbare Partikel (12), aufweisend mindestens ein Metall oder mindestens eine Metallverbindung, und mindestens eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14), wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) eine Fließtemperatur aufweist, die größer oder gleich der Raumtemperatur und kleiner als die Sintertemperatur ist, und wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) ferner eine Desorptionstemperatur aufweist, die größer als die Fließtemperatur und kleiner oder gleich der Sintertemperatur ist; b) Anordnen des Ausgangswerkstoffs (10) zwischen zwei zu verbindenden Komponenten (18, 20); c) Erwärmen des Ausgangswerkstoffs (10) auf eine Temperatur (T1), die größer oder gleich der Fließtemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung (14) und kleiner als die Desorptionstemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung (14) ist für eine Zeit (t1); und d) Erwärmen des Ausgangswerkstoffs (10) auf eine Temperatur (T2), die größer oder gleich der Sintertemperatur der sinterbaren Partikel (12) ist, gegebenenfalls unter Einwirkung eines Sinterdrucks, für eine Zeitdauer (t2) unter Ausbildung einer Sinterverbindung (22).

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses.
Stand der Technik
Leistungselektronik wird in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Gerade in elektrischen oder elektronischen Geräten, in welchen große Ströme fließen, ist der Einsatz von Leistungselektronik unumgänglich. Die in der Leistungselektronik notwendigen Stromstärken führen zu einer Eigenerwärmung der enthaltenen elektrischen oder elektronischen Komponenten. Zusätzlich können die
Komponenten der Leistungselektronik an Orten eingesetzt sein, die ständig einer erhöhten Temperatur ausgesetzt sind. Als Beispiele sind Steuergeräte im Automobilbereich zu nennen, die unmittelbar im Motorraum oder im
Getrieberaum angeordnet sind. Dabei ist das Steuergerät außerdem einem ständigen Temperaturwechsel ausgesetzt, wodurch die enthaltenen elektrischen und/oder elektronischen Komponenten thermisch stark belastet werden. Im Allgemeinen sind Temperaturwechsel in einem Bereich bis zu einer Temperatur von 200°C üblich. Es werden jedoch zunehmend auch darüber hinaus gehende Einsatztemperaturen gefordert. Dadurch werden insgesamt erhöhte
Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Funktionssicherheit von elektrischen oder elektronischen Geräten mit Leistungselektronik gestellt.
Üblicherweise erfolgt eine Anbindung von elektrischen oder elektronischen Komponenten - beispielsweise auf ein Trägersubstrat - durch eine
Verbindungsschicht. Als eine derartige Verbindungsschicht sind Lotverbindungen bekannt, beispielsweise bleifreie Lotverbindungen aus Zinn-Silber oder Zinn- Silber- Kupfer. Bei höheren Einsatztemperaturen sind bleihaltige Lotverbindungen einsetzbar. Bleihaltige Lotverbindungen sind jedoch durch gesetzliche
Bestimmungen aus Gründen des Umweltschutzes hinsichtlich ihrer zulässigen technischen Anwendungen stark beschränkt. Alternativ bieten sich für den
Einsatz bei erhöhten beziehungsweise hohen Temperaturen, insbesondere über 200°C, bleifreie Hartlote an. Bleifreie Hartlote weisen in der Regel einen höheren Schmelzpunkt als 200°C auf. Eingesetzt werden auch Sinterverbindungen, die bereits bei niedrigen
Temperaturen verarbeitet werden können und die dennoch für einen Betrieb bei erhöhten Temperaturen geeignet sind. Derartige Sinterverbindungen bieten den Vorteil einer vergrößerten Auswahl an elektrischen oder elektronischen
Komponenten, welche aufgrund der niedrigeren Verarbeitungstemperatur als Fügepartner in Frage kommen. Vorteilhaft bei Sinterverbindungen ist ferner, dass kein Kriechen der Verbindungsschicht und damit keine Rissbildung stattfindet, wodurch ein Ausfall einer eine derartige Verbindung aufweisenden Baugruppe weiter reduziert werden kann. So zeigt die Patentanmeldung DE 10 2007 046 901 AI derartige
Sinterverbindungen. Zur Herstellung einer Sinterverbindung wird ein
pastenförmiger Ausgangswerkstoff umfassend leicht zersetzbare
Silberverbindungen sowie Silberflocken oder Nanosilber verwendet. Weiterhin kann im Ausgangswerkstoff beispielsweise Kupfer enthalten sein.
Das Dokument EP 2 278 593 AI offenbart eine Sinterverbindung, die aus einer Paste hergestellt wird, welche Partikel aus einer Silberverbindung enthält.
Aus dem Dokument US 2008/0211095 AI ist ferner ein Halbleiterbauteil beschrieben, welches eine Verbindung zwischen einem Halbleiterelement und einer Elektrode aufweist, die durch einen elektrisch leitfähigen Kleber ausgestaltet ist.
Das Dokument US 6,832,915 B2 offenbart weiterhin eine wärmeleitfähige Klebeverbindung zwischen zwei Bauteilen. Aus dem Dokument DE 10 2007 27 999 AI ist ferner eine Transferfolie zur Übertragung einer Silber-Sinterschicht bekannt.
Aus dem Dokument DE 10 2004 019 567 B3 ist ferner ein Verfahren zum Befestigen von elektronischen Bauelementen beschrieben, bei dem die
Bauelemente auf einem Substrat mittels Drucksintern unter Verwendung einer pastösen Schicht befestigt werden.
Aus dem Dokument JP 63258084 A ist ferner eine Trägerfolie mit einer
Sinterpaste zum Fügen von elektronischen Bauteilen bekannt.
Die US 6 951 666 zeigt die Herstellung unterschiedlicher Sinterverbindungen. Dabei werden allgemeine Kombinationsmöglichkeiten verschiedener
Ausgangselemente beschrieben. Als Ausgangselemente sind unter Anderem molekulare Metalle, zahlreiche metallische Partikel in Nano- oder Mikrogröße, Beschichtungen, Lösungsmittel, Additive, reduzierende Mittel,
Kristallisationshemmer, Benetzungsmittel und weitere genannt.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses, aufweisend die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen eines Ausgangswerkstoffs einer Sinterverbindung,
umfassend sinterbare Partikel, aufweisend mindestens ein Metall oder mindestens eine Metallverbindung, und mindestens eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung, wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung eine Fließtemperatur aufweist, die größer oder gleich der
Raumtemperatur und kleiner als die Sintertemperatur ist, und wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung ferner eine Desorptionstemperatur aufweist, die größer als die
Fließtemperatur und kleiner oder gleich der Sintertemperatur ist;
b) Anordnen des Ausgangswerkstoffs zwischen zwei zu verbindenden Komponenten; c) Erwärmen des Ausgangswerkstoffs auf eine Temperatur Tl, die größer oder gleich der Fließtemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung und kleiner als die Desorptionstemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung ist für eine Zeit tl; und
d) Erwärmen des Ausgangswerkstoffs auf eine Temperatur T2, die größer oder gleich der Sintertemperatur der sinterbaren Partikel ist,
gegebenenfalls unter Einwirkung eines Sinterdrucks, für eine Zeitdauer t2 unter Ausbildung einer Sinterverbindung.
Das vorbeschriebene Verfahren kann es insbesondere ermöglichen, einen Sinterprozess besonders einfach durchzuführen und dabei eine besonders stabile und verlässliche Sinterverbindung zu erzeugen.
Hierzu erfolgt bei dem vorbeschriebenen Verfahren gemäß einem
Verfahrensschritt a) ein Bereitstellen eines Ausgangswerkstoffs einer
Sinterverbindung, umfassend sinterbare Partikel, aufweisend mindestens ein Metall oder mindestens eine Metallverbindung, und mindestens eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung, wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung eine Fließtemperatur aufweist, die größer oder gleich der Raumtemperatur und kleiner als die Sintertemperatur ist, und wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung ferner eine Desorptionstemperatur aufweist, die größer als die Fließtemperatur und kleiner oder gleich der Sintertemperatur ist.
Somit wird gemäß Verfahrensschritt a) zunächst ein Ausgangswerkstoff bereitgestellt, der in dem weiteren Verfahren die Sinterverbindung ausbilden soll. Der Ausgangswerkstoff umfasst dabei ein Sintergrundmaterial, welches nach dem Sintern die eigentliche Sinterverbindung darstellen kann oder zumindest einen großen Anteil der Sinterverbindung ausbildet. Dieses Sintergrundmaterial kann insbesondere mindestens ein Metall oder mindestens eine
Metallverbindung sein. Ferner weist der Ausgangswerkstoff mindestens eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung auf. Die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung kann dabei dazu dienen, das Sintergrundmaterial zusammen zu halten und so erlauben, dass der Ausgangswerkstoff als kompakter, beispielsweise formbarer, etwa thermoplastischer, Formkörper, beispielsweise, bereitgestellt wird.
Unter einer polymeren organischen Verbindung kann dabei beispielsweise und nicht beschränkend eine kohlenwasserstoffbasierte Verbindung angesehen werden, welche polymerisiert ist. Entsprechend kann unter einer
polymerisierbaren organischen Verbindung beispielsweise und nicht
beschränkend eine derartige insbesondere kohlenwasserstoffbasierte
Verbindung verstanden werden, welche insbesondere durch das Aufweisen spezifischer funktionelle Gruppen einer Polymerisation unterworfen werden kann.
Unter einer organischen monomeren Verbindung kann ferner beispielsweise und nicht beschränkend eine derartige Verbindung verstanden werden, die ebenfalls kohlenwasserstoffbasiert sein kann, jedoch keine für eine Polymerisation geeignete Gruppen aufweisen braucht.
Durch ein derartiges Bereitstellen eines Ausgangswerkstoffs einer
Sinterverbindung kann der Ausgangswerkstoff als transportfähiger und lagerfähiger Werkstoff bereitgestellt werden, der jederzeit und ohne speziellen Aufwand applizierbar ist. In anderen Worten kann der Ausgangswerkstoff im Vorhinein produziert und gelagert werden und unmittelbar vor dem Durchführen des Verfahrens seiner Verwendung zugeführt werden. Das ermöglicht sehr dynamische und veränderbare Produktionsprozesse, welche unmittelbar an die gewünschten Anforderungen anpassbar sind. Dabei kann der Ausgangswerkstoff beispielsweise als großflächiger Werkstoff bereitgestellt werden, aus welchem vor dem Anwenden jeweils ein Werkstoffteil in geeigneter Größe abgetrennt werden kann, beispielsweise ausgestanzt oder ausgeschnitten, werden kann. Dadurch kann nur ein Ausgangswerkstoff für eine große Anwendungsbreite bereitgestellt werden, was die Kosten für das vorbeschriebene Verfahren noch weiter verbessern kann.
Weiterhin kann der Ausgangswerkstoff, etwa durch Foliengießen oder
Spritzgießen, zunächst beispielsweise als insbesondere flexible Folie
bereitgestellt werden, was die Anforderungen an ein Handhaben sehr gering hält. Dadurch kann der Ausgangswerkstoff mit herkömmlichen
Handhabungssystemen gehandhabt werden, was eine besonders gute Einbindung des Ausgangswerkstoffs in bestehende Prozessperipherien erlauben kann.
Dabei kann sich bei oder nach einem Applizieren des Ausgangswerkstoffs auf eine Komponente beziehungsweise bei einem Anordnen des
Ausgangswerkstoffs zwischen den zu verbindenden Komponenten, wie nachstehend erläutert, der Ausgangswerkstoff an potentiell vorhandene
Unebenheiten der Fügepartner, wie beispielsweise Substratunebenheiten oder Bauteilunebenheiten, optimal anpassen, so dass ein besonders inniger Kontakt möglich wird, was ferner eine besonders stabile Sinterverbindung mit sich bringen kann.
Dabei sind die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung und das Sintergrundmaterial beziehungsweise das wenigstens eine Metall oder die wenigstens eine Metallverbindung insbesondere derart aufeinander abgestimmt, dass die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung eine Fließtemperatur aufweist, die größer oder gleich der Raumtemperatur und kleiner als die Sintertemperatur des Sintergrundmaterials ist, und wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung ferner eine Desorptionstemperatur aufweist, die größer als die Fließtemperatur und kleiner oder gleich der Sintertemperatur des Sintergrundmaterials ist.
Unter einer Fließtemperatur kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine konkrete Temperatur oder ein Temperaturbereich verstanden werden, ab welcher die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung fließfähig ist und damit fließen, also sich selbsttätig aus der Fügezone durch einen Fließvorgang entfernen kann. Dabei kann unter einer Fließtemperatur insbesondere eine Schmelztemperatur beziehungsweise ein Schmelzbereich oder eine Glasübergangstemperatur beziehungsweise
Glasübergangsbereich verstanden werden.
Durch eine derartige Auswahl des Sintergrundmaterials beziehungsweise der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung lassen sich signifikante Vorteile bei der Prozessführung ermöglichen. Im Detail kann durch die Auswahl insbesondere der polymeren,
polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung ermöglicht werden, dass der Ausgangswerkstoff, insbesondere bedingt durch die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung eine gute
Adhäsionskraft aufweist und somit gut an den zu fügenden Komponenten, wie etwa einem Substrat und einem Bauteil haften kann. In anderen Worten kann der Ausgangswerkstoff, etwa durch die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organischen Verbindung oder durch einen weiteren Hilfsstoff, wie etwa ein Lösungsmittel, eine geeignete Klebrigkeit aufweisen, welche erlaubt, dass der Ausgangswerkstoff an den zu fügenden Partnern haftet. Dies erlaubt eine besonders gute Applizierbarkeit, da der Ausgangswerkstoff, einmal angeordnet, dort sicher verbleiben kann. Beispielsweise kann eine derartige Adhäsionskraft beziehungsweise Klebrigkeit erhalten werden bei Temperaturen unterhalb der Fließtemperatur, also rein beispielhaft bei Temperaturen in einem Bereich von kleiner oder gleich 100°C.
Darüber hinaus kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung dazu dienen, ein Kaltverschweißen der Partikel zu verhindern und ferner eine Formgebung des Filmmaterials zu ermöglichen.
Nach einem Bereitstellen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Ausgangswerkstoffs wird dieser Ausgangswerkstoff gemäß Verfahrensschritt b) zwischen zwei zu verbindende Komponenten angeordnet. Dies kann
beispielsweise voll automatisiert erfolgen. Dabei kann der Ausgangswerkstoff beispielsweise zwischen einem Substrat und einem auf dem Substrat zu befestigenden elektronischen Bauteile angeordnet werden.
Gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt ein einem weiteren Schritt ein Erwärmen des Ausgangswerkstoffs auf eine Temperatur Tl, die größer oder gleich der
Fließtemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung und kleiner als die Desorptionstemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung ist für eine Zeit tl. Durch diesen Verfahrensschritt kann ein Anhaften des
Ausgangswerkstoffs an den zu verbindenden Komponenten noch weiter verbessert werden. Dabei kann eine derartige Temperatur Tl in Abhängigkeit der gewählten polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung bereits bei Temperaturen von kleiner oder gleich 100°C liegen, etwa in einem Bereich von größer oder gleich 30°C bis kleiner oder gleich 80°C. Im Detail kann beispielsweise eine Klebrigkeit beziehungsweise eine Adhäsionskraft der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung weiter gesteigert werden beziehungsweise kann eine derartige Klebrigkeit durch eine Fließfähigkeit erst ausgebildet werden. Somit kann in diesem Schritt ermöglicht werden, dass der Ausgangswerkstoff fest zwischen den zu
verbindenden Komponenten haftet und somit bereits einer Anordnung ausbildet, die für den weiteren Sintervorgang bereits eine gute Stabilität aufweist.
Durch diesen Verfahrensschritt kann somit ermöglicht werden, dass der
Ausgangswerkstoff an einer gewünschten Position angeordnet wird, und ferner dort verbleibt. Dadurch können besonders definierte Produkte erhalten werden. Dabei kann durch eine Temperaturerhöhung über die Fließtemperatur der polymeren polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung der Ausgangswerkstoff insbesondere stabiler Kräfte an seine Position gehalten werden. Somit ist ein zusätzliches Fixierungsmedium nicht notwendig, was das vorbeschriebene Verfahren besonders einfach und kostengünstig gestalten kann. Ferner kann die der polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische
Verbindung insbesondere in fließfähigem Zustand als Dispergiermedium dienen, um einen homogenen Ausgangswerkstoff zu gestalten.
Darüber hinaus kann durch eine Fließfähigkeit der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung ermöglicht werden, dass sich der
Ausgangswerkstoff an die zu verbindenden Komponenten anschmiegt und sonst durch eine insbesondere reversible Erweichung der polymeren,
polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung durch die Temperaturerhöhung über die Fließtemperatur eine gute Anpassung zwischen der Schicht des Ausgangswerkstoffs und den Fügepartnern entsteht. Somit kann gleichermaßen ein inniger Kontakt der metallischen Verbindung
beziehungsweise des Sintergrundmaterials mit den zu fügenden Komponenten erlaubt werden. Dies kann dazu beitragen, dass nach einem Sintern, wie dies nachstehend erläutert ist, eine besonders stabile Anordnung entsteht. Da für eine Klebrigkeit beziehungsweise Anschmiegbarkeit und der Fixierung des Ausgangswerkstoffs zwischen den Fügepartnern jedoch nur eine sehr geringe Menge an polymerer, polymerisierbarer und/oder monomerer organischer Verbindung notwendig ist, kann der weitere Vorteil erreicht werden, dass der Großteil der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen
Verbindung durch eine Fließfähigkeit aus der Fügezone entfernt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass es bei einer nachfolgenden Entfernung
beziehungsweise Desorption der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung aus dem Fügebereich nicht oder nicht wesentlich zu einer Entwicklung von Reaktionsgasen kommt, welche
gegebenenfalls in der Fügestelle expandieren und somit der Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung entgegenwirken könnten. Weiterhin wird
beispielsweise und in Abhängigkeit der gewählten Desorption kein Sauerstoff benötigt, wodurch die Sinterverbindung auch unter Ausschluss von Sauerstoff stattfinden kann. Dies kann eine Veränderung oder Schädigung aller Beteiligten
Fügepartner bei einer Temperaturbehandlung vermeiden. Darüber hinaus kann die Notwendigkeit einer Zuführung von Gasen beziehungsweise die
Notwendigkeit der Abführung von Gasen verhindert werden. Somit ist es bei dem vorbeschriebenen Verfahren nicht nachteilig, dass besonders bei großflächigen Verbindungen der Gastransport limitiert ist durch die Dichte des Fügematerials und somit beispielsweise bei einer Herstellung einer dichten Verbindung das Material durch mechanischen Druck gepresst wird und somit den Gastransport gerade hemmt. Somit können zusammenfassend durch eine
Temperaturerhöhung über die Fließtemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung die Nachteile eines Entfernens einer derartigen Matrix gemäß dem Stand der Technik verhindert werden.
Die Zeitdauer tl, für welche die Temperatur Tl beibehalten wird, kann dabei in Abhängigkeit des konkret angewendeten Ausgangswerkstoffs gewählt werden. Insbesondere sollte die Zeitdauer lang genug gewählt werden, damit eine ausreichende Fließfähigkeit der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung realisierbar ist, und damit die vorgenannten Vorteile in besonders vorteilhafter Weise erzielt werden können.
In einem weiteren Verfahrensschritt d) erfolgt bei einem vorbeschriebenen Verfahren ein Erwärmen des Ausgangswerkstoffs auf eine Temperatur T2, die größer oder gleich der Sintertemperatur der sinterbaren Partikel ist,
gegebenenfalls unter Einwirkung eines Sinterdrucks, für eine Zeitdauer t2 unter Ausbildung einer Sinterverbindung. In diesen Verfahrensschritt wird somit die eigentliche Sinterverbindung erzeugt.
Dabei werden die beispielsweise chemisch stabilisierten Partikel etwa bis zum Erreichen der Fügetemperatur beziehungsweise Sintertemperatur ausgebrannt, so dass die Partikel beziehungsweise freigesetzten Metallatome untereinander und mit dem Material der Fügepartner in direkten Kontakt kommen. Durch festkörperdiffuse Vorgänge bildet sich dann bereits bei geringen Temperaturen eine hochtemperaturstabile Verbindung aus.
Hierzu wird der Ausgangswerkstoff alleine oder zusammen mit zumindest einem Fügebereich der zu verbindenden Komponenten auf eine Temperatur T2 erwärmt, etwa durch eine Heizquelle oder elektromagnetische Strahlung. Dabei ist die Temperatur T2 größer oder gleich der Sintertemperatur der sinterbaren Partikel, also der Partikel, aufweisend mindestens ein Metall oder mindestens eine Metallverbindung. Dabei wird die Temperatur T2 für einen vorbestimmten Zeitraum t2 beibehalten, welcher ausreichend ist, dass sich eine stabile
Sinterverbindung ausbilden kann.
Dabei kann dadurch, dass die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung ferner eine Desorptionstemperatur, also eine konkrete Desorptionstemperatur oder eine breite Desorptionstemperatur, also einen Desorptionsbereich, aufweist, die größer als die Fließtemperatur und kleiner oder gleich der Sintertemperatur ist, die Stabilität der ausgebildeten Sinterverbindung noch weiter erhöht werden. Im Detail wird die die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung sowohl von den sinterbaren
Partikeln als auch von den zu fügenden Komponenten desorbiert, also im Sinne der vorliegenden Erfindung entfernt. Somit kann sichergestellt werden, dass nach dem Ausbilden der Sinterverbindung diese im Wesentlichen lediglich die gesinterten Partikel beziehungsweise Sinterprodukte dieser umfasst. Daher stört die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung die Stabilität der Sinterverbindung nicht, wodurch besonders stabile Produkte erhalten werden können. Zusammenfassend ermöglicht das vorbeschriebene Verfahren insbesondere eine besonders einfache und definierte Herstellung einer Sinterverbindung zwischen zwei zu verbindenden Komponenten, wobei die ausgebildete
Sinterverbindung ferner besonders stabil sein kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die Desorptionstemperatur die
Siedetemperatur, Zersetzungstemperatur oder eine Reaktionstemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung mit den sinterbaren und/oder mit gesinterten Partikeln sein. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass bei dem
Verfahrensschritt d) die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung vollständig beziehungsweise rückstandsfrei entfernt werden kann und die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung somit die Stabilität der Sinterverbindung nicht negativ beeinflusst. Dadurch, dass zumindest ein gewisser Anteil beziehungsweise vorteilhafterweise ein Großteil der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung während des Verfahrensschritt d) nicht mehr in der unmittelbaren Fügezone angeordnet ist, kann auch durch ein Verdampfen, Zersetzen beziehungsweise Verbrennen oder Abreagieren, wie etwa ein Oxidieren durch einen Bestandteil des Sinterstoffes, der insbesondere außerhalb der Fügezone angeordneten polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung nicht in die Gefahr bestehen, dass eine signifikante Gasentstehung den Sinterprozess negativ beeinflusst. Der Anteil der sich noch in der Fügezone befindlichen polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung kann dabei insbesondere derart gering sein, dass kein signifikanter Gastransport stattfinden braucht, welcher die sich ausbildende Sinterverbindung beziehungsweise die Stabilität der ausgebildeten Sinterverbindung negativ beeinflusst. Somit kann hier selbst ein Entfernen durch die vorgenannten Prozesse problemlos möglich sein, oder auch ein Verbleiben der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung in der Fügezone kann möglich sein, ohne den Sinterprozess negativ zu beeinflussen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die sinterbaren Partikel Silber, Gold, Platin, Palladium und/oder Kupfer, eine organische Metallverbindung, insbesondere Silbercarbonat, Silberlactat oder Silberstearat, ein Metalloxid, insbesondere Silberoxid, oder eine Mischung aufweisend eine oder mehrere der vorgenannten Substanzen enthalten. Derartige Partikel können besonders vorteilhaft geeignet sein, eine hochstabile und elektrisch leitfähige
Sinterverbindung auszubilden. Dabei können sowohl die reinen Metalle als auch entsprechende Metallverbindungen vorgesehen sein. Die Metalle können dabei unmittelbar durch einen Wärmeeintrag beziehungsweise einen Eintrag von Druck insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern erlauben und dadurch eine stabile Sinterverbindung ermöglichen. Bezüglich der genannten Metallverbindungen können sich diese bei einer
Temperaturbehandlung des Ausgangswerkstoffs, etwa in einem Bereich von kleiner als 300°C, zersetzen unter Ausbildung des elementaren Metalls und die Sinterverbindung ausbilden. Eine Kontaktierung kann bei einer Verwendung des beschriebenen Ausgangswerkstoffes dabei bereits mit niedrigen Anpressdrücken der Kontaktierungspartner erfolgen, was somit milde
Reaktionsbedingungen und damit ein einfaches und kostengünstiges Verfahren erlauben kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung ein Polyolefin, insbesondere umfassend Polyethylen und/oder Polypropylen, ein Polyethylencopolymer, ein
Polyketon oder eine Mischung aufweisend eine oder mehrere der vorgenannten Substanzen aufweisen. Insbesondere derartige polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindungen können den Vorteil aufweisen, so dass sie bezüglich ihrer Fließtemperatur beziehungsweise bezüglich ihres Desorptionsverhaltens gut in einen Sinterprozess integrierbar sind, insbesondere in Kombination mit den vorgenannten Sintergrundmaterialien, also insbesondere Metallen beziehungsweise Metallverbindungen. Somit können die vorgenannten polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindungen besonders vorteilhaft dazu geeignet sein, das Sintergrundmaterial aufzunehmen und dabei ferner im Wesentlichen rückstandsfrei durch eine Desorption von einer zu fügenden Komponente entfernt zu werden. Darüber hinaus sind die vorgenannten polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindungen bei Umgebungsbedingungen, also auch bei oxidativer Atmosphäre und/oder in feuchter Atmosphäre, stabil, so dass eine besonders vorteilhafter Lagerfähigkeit auch über einen langen Zeitraum für den Ausgangswerkstoff ermöglicht werden kann. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung eine Matrix ausbilden, in welcher die sinterbaren Partikel eingebettet sind, oder kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung als Beschichtung auf den sinterbaren Partikeln vorliegen. Dies sind besonders vorteilhafte
Ausgestaltungen, um die sinterbaren Partikel von der polymeren,
polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung zu umgeben. Bezüglich einer Matrix, in welcher die sinterbaren Partikel eingebettet sind, lässt sich so ein Formkörper herstellen, der in sämtlichen Dimensionen an das gewünschte Anwendungsgebiet anpassbar sein kann. Im Detail kann ein derartiger Körper in seiner Länge, Breite als auch Höhe an die zu fügenden Komponenten angepasst werden. Dadurch kann das Verfahren weiter erleichtert und ferner kostengünstiger gestaltet werden. Beispielsweise kann so eine aneinander haftende formbare Masse erzeugbar sein, welche besonders gut handhabbar sein kann. Dabei kann ein derartiger Ausgangswerkstoff etwa erzeugbar sein durch ein Aufschmelzen der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung mit anschließendem Mischen mit dem Sintergrundmaterial und einem abschließenden Abkühlen.
Bezüglich einer Beschichtung kann der Anteil der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung besonders gering gehalten werden, so dass die bei einer Temperaturerhöhung über die Fließtemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung aus dem Fügebereich austretende Masse besonders gering gehalten werden kann. Somit kann das Verfahren besonders zeitschonend durchgeführt werden. Dabei kann die Beschichtung der Partikel bereits bei der Herstellung der Partikel aufgebracht werden, insbesondere um eine Reaktion der sinterbaren Partikel untereinander, wie etwa ein Kaltverschweißen, zu verhindern. Beispielsweise können die Metallpartikel, welche, beispielsweise als Silberpartikel, durch eine Gasphasenabscheidung oder Fällung in einem Lösungsmittel erzeugt werden, beschichtet werden, indem die Lösung ein entsprechendes
Beschichtungsmaterial, beispielsweis als oberflächenaktives Material, aufweist. Nach Entfernen des Lösungsmittels, beispielsweise, können die etwa als Pulver handhabbaren Ausgangswerkstoffe aufweisend die sinterbaren Partikel mit der insbesondere chemisch oder physikalisch gebundenen Beschichtung erhalten werden.
In diesen Ausgestaltungen kann der Ausgangswerkstoff nunmehr als Pulver oder als Presskörper aus dem Pulver oder auch als Paste mit einem Lösungsmittel über grundsätzlich bekannte Verfahren, wie etwa einem Platzieren des
Grünkörpers, appliziert werden beziehungsweise mit den zu fügenden
Komponenten in Kontakt gebracht werden. Auch in diesen Ausgestaltungen kann die Viskosität der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung über eine Temperatursteuerung eingestellt werden, so dass die Viskosität durch eine Temperatureinstellung steuerbar ist und dabei eine Temperaturerhöhung dazu führen kann, dass die Verbindung insbesondere durch Kapillarkräfte von der Fügestelle entfernt und in einem weiteren
Verfahrensschritt vollständig entfernt beziehungsweise desorbiert werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Ausgangswerkstoff auf wenigstens eine zu verbindende Komponente durch Drucken, Rakeln oder Dispensen aufgebracht werden. Dies sind besonders einfache und ausgereifte Prozesse, um den Ausgangswerkstoff auf wenigstens eine der zu verbindenden Komponenten aufzubringen. In diesen Ausgestaltungen ist dabei ein besonders präzises und hochgenaues Anordnen des Ausgangswerkstoffs möglich, was hochstabile Sinterverbindungen auch in klein dimensionierten Bauteilen ermöglichen kann. Dabei kann der Ausgangswerkstoff sowohl auf nur eine der zu verbinden Komponenten aufgebracht werden, oder auf beide zu verwenden Ausgangskomponenten.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Ausgangswerkstoff eine Transferschicht aufweisen, die zwischen wenigstens zwei Schutzschichten insbesondere aufweisend eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung angeordnet ist. Beispielsweise kann die Transferschicht das Sintergrundmaterial beziehungsweise die sinterbaren Partikel aufweisen und gegebenenfalls die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung. Dabei kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung der Transferschicht die gleiche Verbindung sein, wie die Verbindung der Schutzschichten. Alternativ kann auf die polymere,
polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung in der Transferschicht, welche die sinterbaren Partikel unmittelbar etwa als
Beschichtung oder als Matrix umschließen kann, verzichtet werden, so dass die sinterbaren Partikel nur von den Schutzschichten aufweisend eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung umgeben sind. In dieser Ausgestaltung kann der Ausgangswerkstoff besonders einfach handhabbar sein und dabei trotzdem sehr präzise an der gewünschten Stelle angeordnet werden. Dabei ist die Transferschicht besonders gut vor äußeren Einflüssen geschützt und dadurch besonders lagerfähig. Dabei kann ein Anordnen des Ausgangswerkstoffs auf einer der zu fügenden
Komponenten beispielhaft und nicht beschränkend derart realisiert werden, dass die Schutzschichten vor oder bei Verfahrensschritt b) entfernt werden.
Dabei kann exemplarisch zunächst eine Schutzschicht entfernt werden und die frei liegende Seite der Transferschicht auf der Komponente angeordnet und im Anschluss die weitere Schutzschicht entfernt werden. Somit kann der
Ausgangswerkstoff insbesondere eine Transferschicht aufweisen, welche auf zwei gegenüberliegenden Seiten von der Schutzschicht umgeben ist. Dabei können die Schutzschichten ferner derart ausgebildet sein, dass im Wesentlichen die gesamte Transferschicht von Schutzschichten umgeben ist. Dies kann durch ein Vorsehen von mehr als zwei Schutzschichten wie auch durch eine entsprechende Form der wenigstens zwei Schutzschichten realisierbar sein.
Dabei kann insbesondere in dieser Ausgestaltung ein Applizieren des
Sintergrundmaterials durch Drucken, Dispensen oder Aufrakeln mit einer nachfolgenden Temperaturbehandlung zum Trocknen der aufgebrachten Schicht entfallen. Daher kann das vorbeschriebene Verfahren insbesondere in dieser Ausgestaltung Prozessschritte einsparen, was Herstellungskosten der herzustellenden Bauteile wie auch Zeit zum Herstellen derartiger Bauteile einsparen kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Schutzschichten
Polyethylenterephtalat aufweisen. Insbesondere Polyethylenterephtalat kann als stabile Schutzschicht dienen, um die Transferschicht vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise mechanischen Einflüssen sicher zu schützen. Darüber hinaus ist es gegenüber den in der Transferschicht vorkommende Materialien inert, so dass auch über einen längeren Zeitraum einer Lagerung keine negative Beeinflussung der Transferschicht zu erwarten ist. Ferner ist Polyethylenterephtalat
kostengünstig erhältlich, so dass das Verfahren auch in dieser Ausgestaltung besonders kostengünstig realisierbar ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Ausgangswerkstoff in Form einer Paste, eines Pulvers, eines Granulats oder einer Folie bereitgestellt werden. Derartige Formen des Ausgangswerkstoffs lassen sich einfach, kostengünstig und mit bekannten Verfahren handhaben, so dass das Verfahren insbesondere in diesen Ausgestaltungen besonders einfach und kostengünstig möglich sein kann. Darüber hinaus ist eine Lagerung bedenkenlos möglich, so dass die Vorteile bezüglich einer Herstellung im Voraus und einer Anwendung beziehungsweise einer Bereitstellung unmittelbar vor dem Verfahren problemlos möglich sein kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung während oder nach
Verfahrensschritt c) abgeleitet oder entfernt werden. In dieser Ausgestaltung kann der grundsätzlich durch eine Fließbarkeit der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung auftretende Effekt, wonach die Verbindung aus der Fügezone bereits durch ein Wegfließen auftritt, weiter verstärkt beziehungsweise unterstützt werden.
Bezüglich eines Ableitens der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung kann beispielsweise ein oder eine
Mehrzahl von Auffangbehältern, wie etwa Kavitäten, vorgesehen sein, in welche die fließfähige Verbindung abgeleitet, also geführt werden kann. Hierzu können beispielsweise Kanäle vorgesehen sein, welche derart angeordnet sind, dass das die Verbindung in einem fließfähigen Zustand einfließt, oder die Auffangbehälter können selbst unmittelbar derart angeordnet sein, damit die fließfähige
Verbindung dort hineinfließt. Dabei können die Auffangbehälter etwa unmittelbar benachbart zu den zu fügenden Komponenten angeordnet sein und die Kanäle etwa in den Fügebereich reichen.
Bezüglich eines Entfernens der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organische Verbindung kann beispielsweise mittels einer geeigneten Vorrichtung die fließfähige Verbindung aufgenommen und abgeführt werden. Hierzu können beispielsweise schwammartige Vorrichtungen oder Kapillarbündel verwendet werden, welche die Verbindung mittels Kapillarkräften aufnehmen beziehungsweise einsaugen können. Dies kann ein besonders schonendes Entfernen der Verbindung bewirken und dabei den Sinterprozess nicht negativ beeinflussen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung wenigstens ein Additiv enthalten, das mit den sinterbaren Partikeln, insbesondere mit der organischen
Metallverbindung, unter Reduktion der Sintertemperatur reagiert. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann ein besonders schonendes Verfahren ermöglicht werden, da bereits geringe Temperaturen für einen Sintervorgang ausreichen können. Dadurch können auch derartige Komponenten miteinander verbunden werden, welche keinen allzu hohen Temperaturen ausgesetzt werden sollten. Darüber hinaus können auch polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindungen verwendet werden, welche eine relativ niedrige Desorptionstemperatur aufweisen, was die Auswahl derartiger Verbindungen auch bezüglich herkömmlicher Polymere, beispielsweise, vergrößern kann. Als exemplarische und nicht beschränkende Beispiele derartige Additive können genannt werden oxidierbare organische Verbindungen, wie etwa Fettsäuren, beispielsweise Stearinsäure oder Laurinsäure, insbesondere in Kombination mit den vorgenannten Sintergrundmaterialien, wie etwa Silber.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Sinterverbindung erzeugt werden, die eine elektrische Leitfähigkeit von größer oder gleich 30 MS/m bis insbesondere kleiner oder gleich 45 MS/m, insbesondere von größer oder gleich 36 MS/m bis insbesondere kleiner oder gleich 44 MS/m, aufweist, und/oder kann eine Sinterverbindung erzeugt werden, die eine thermische Leitfähigkeit von größer oder gleich 200 W/mK bis kleiner oder gleich 300 W/m K, insbesondere von größer oder gleich 220 W/mK bis kleiner oder gleich 275 W/mK, aufweist.
Insbesondere derartige Sinterverbindung können für eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen, welche gegebenenfalls in der Leistungselektronik Verwendung finden, gebräuchlich sein. Derartige Leitfähigkeiten können beispielsweise erreichbar sein durch die Verwendung der vorbeschriebenen Sintergrundmaterialien. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann als eine der zu verbindenden Komponenten ein elektronisches Bauelement und als eine weitere der zu verbindenden Komponenten ein Substrat, etwa umfassend eine
Kupferverbindung verwendet werden. In dieser Ausgestaltung können insbesondere elektronische Bauelemente auf den entsprechenden Substraten aufgebracht werden. Insbesondere bei derartigen Anwendungen ist eine sehr stabile Verbindung, welche zusätzliche elektrisch leitfähig ist, von Nutzen. Daher ist es insbesondere in dieser Ausgestaltung von Vorteil, dass die
Sinterverbindung hoch genau positionierbar ist und ferner keine
Gastransportprozesse die Ausbildung einer stabilen Verbindungsschicht wesentlich negativ beeinflussen. Beispielsweise kann dieser Ausgestaltung insbesondere ein elektronisches Bauteil der Leistungselektronik hergestellt werden. Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Verwendung eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verfahrens zum Erzeugen eines elektronischen Bauteils, insbesondere einer elektronischen Schaltung. Bei dieser Verwendung kann somit ein elektronisches Bauteil oder eine elektronische Schaltung hergestellt werden, indem insbesondere ein elektronisches
Bauelement auf einem Substrat durch einen Sinterprozess befestigt wird. Dabei können beispielsweise als elektronische Bauelemente Leistungshalbleiter oder integrierte Schaltungen durch die Sinterverbindung an dem Substrat befestigt werden. Insbesondere kann das vorstehend beschriebenen Verfahren eingesetzt werden bei zu fügenden Komponenten, welche nur einer geringen
Temperaturbelastung ausgesetzt werden sollten, da die für eine Fließfähigkeit beziehungsweise für ein Desorbieren der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung sowie die für ein Sintern des
Sintergrundmaterials notwendigen Temperaturen bei einem vorstehend beschriebenen Verfahren aufgrund der Auswahl des Ausgangswerkstoffs ebenfalls niedrig gehalten werden können. Beispielsweise können in dieser
Ausgestaltung Silizium-Chips beziehungsweise Siliziumcarbid-Bauteile, welche Temperaturen von beispielsweise 250 °C beziehungsweise 350°C standhalten können, problemlos gefügt werden, wie beispielsweise dem sogenannten„Die Attach".
Grundsätzlich umfasst diese Ausgestaltung somit eine Verwendung des vorbeschriebenen Verfahrens im Bereich der elektronischen Aufbautechnik beziehungsweise Verbindungstechnik insbesondere als Niedertemperatur- Sintertechnik. Beispielsweise können durch das vorbeschriebene Verfahren Diffusionslöten oder Aktivlöten ersetzt werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.
Beispiele und Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Beispiele und Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele und Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. la-c eine schematische Darstellung einer Herstellung einer
Ausführungsform eines Ausgangswerkstoffs für ein Verfahren gemäß der Erfindung;
Fig. 2a-c eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß der Erfindung verwendend einen Ausgangswerkstoff gemäß Figur 1; und
Fig. 3a-c eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß der Erfindung verwendend eine weitere Ausgestaltung eines Ausgangswerkstoffs
In Figur lc ist ein Ausgangswerkstoff 10 für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses gezeigt. Der Ausgangswerkstoff 10 einer Sinterverbindung in der Ausgestaltung gemäß Figur lc umfasst sinterbare Partikel 12, aufweisend mindestens ein Metall oder mindestens eine Metallverbindung. Ferner umfasst der Ausgangswerkstoff 10 mindestens eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14, die gemäß Figur 1 als Beschichtung auf den sinterbaren Partikeln 12 angeordnet ist. Dabei sind die sinterbaren Partikel 12 beziehungsweise die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 derart gewählt, dass die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 eine Fließtemperatur aufweist, die größer oder gleich der Raumtemperatur, also gemäß der Erfindung größer oder gleich 22°C ist, und kleiner als die Sintertemperatur der sinterbaren Partikel ist, und wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische
Verbindung 14 ferner eine Desorptionstemperatur aufweist, die größer als die Fließtemperatur und kleiner oder gleich der Sintertemperatur ist.
Dabei ist in Figur 1 ein exemplarischer Herstellungsprozess des
Ausgangswerkstoffs 10 gezeigt. In Figur la ist ein sinterbarer Partikel 12 gezeigt, der in einem Lösungsmittel 16 hergestellt wurde. Der sinterbare Partikel 12 kann beispielsweise ein Silberpartikel sein. In der Figur lb ist ferner gezeigt, dass an den sinterbaren Partikel 12 eine Beschichtung aus einer polymeren,
polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung 14 angeordnet ist. Diese kann erzeugt werden, indem die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 zu dem Lösungsmittel 16 gegeben, beispielsweise gelöst oder dispergiert, wird. Beispielhaft kann als polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 ein
Kolophonium-Harz, welches als Flussmittel dienen kann, Verwendung finden. Dieses hat bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteil, dass es bei leicht erhöhten Temperaturen von deutlich unter 100°C weich und klebrig ist, sich jedoch bei der weiteren Prozessführung unter Zersetzung nahezu rückstandslos verflüchtigt und bei 25°C als Preform herstellbar ist. In der Figur lc ist der fertiggestellte Ausgangswerkstoff 10, wie vorstehend beschrieben, durch Verdampfen des Lösungsmittels gezeigt.
Ein derartiger Ausgangswerkstoff 10 kann unmittelbar zwischen zwei zu verbindende Komponenten 18, 20 angeordnet werden, wie dies in der Figur 2a gezeigt ist. Dabei kann der Ausgangswerkstoff 10 auf wenigstens eine zu verbindende Komponente 20 durch Drucken, Rakeln oder Dispensen
aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Komponente 20 ein Substrat sein, wohingegen die Komponente 18 ein elektronisches Bauelement, wie etwa ein Leistungshalbleiterbauelement sein kann.
In der Figur 2b ist ein erster Temperaturbehandlungsschritt gezeigt. Im Detail ist in der Figur 2 ein Zustand gezeigt nach einem Verfahrensschritt umfassend ein Erwärmen des Ausgangswerkstoffs 10 auf eine Temperatur Tl, die größer oder gleich der Fließtemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung 14 und kleiner als die
Desorptionstemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung 14 ist für eine Zeit tl. Daraus resultiert, dass ein Teil der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung 14 aus der Fügezone entfernt wird und sich auf der Komponente 20 anordnet beziehungsweise die Oberfläche der Komponente 20 benetzt. Dabei kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 während oder nach diesem Verfahrensschritt der ersten Wärmebehandlung abgeleitet oder entfernt werden.
In der Figur 2c ist ferner eine ausgebildete Sinterverbindung 22 der beiden Komponenten 18, 20 gezeigt. Eine derartige Sinterverbindung 22 ist ausgebildet durch gesinterte sinterbare Partikel 12 durch einen weiteren Verfahrensschritt aufweisend ein Erwärmen des Ausgangswerkstoffs 10 auf eine Temperatur T2, die größer oder gleich der Sintertemperatur der sinterbaren Partikel 10 ist, gegebenenfalls unter Einwirkung eines Sinterdrucks, für eine Temperatur t2 unter Ausbildung einer Sinterverbindung 22. Die Sinterverbindung 22 kann,
beispielsweise bei der Verwendung von Silber als sinterbare Partikel 12, eine elektrische Leitfähigkeit von größer oder gleich 30 MS/m bis insbesondere kleiner oder gleich 45 MS/m, insbesondere von größer oder gleich 36 MS/m bis insbesondere kleiner oder gleich 44 MS/m, aufweisen, und/oder kann eine thermische Leitfähigkeit von größer oder gleich 200 W/mK bis kleiner oder gleich 300 W/m K, insbesondere von größer oder gleich 220 W/mK bis kleiner oder gleich 275 W/m K, aufweisen. Ferner kann ein Sintern exemplarisch stattfinden bei einem Sinterdruck von kleiner oder gleich 10 MPa, beispielsweise von kleiner oder gleich 1 MPa und/oder bei einer Sintertemperatur in einem Bereich von kleiner oder gleich 300 °C, beispielsweise kleiner oder gleich 250°C. In den Figuren 3a bis 3c ist eine weitere Ausgestaltung eines
Ausgangswerkstoffs 10 und eines damit ausgeführten Verfahrens gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß Figur 3a bildet die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 eine Matrix aus, in welcher die sinterbaren Partikel 12 eingebettet sind. Dabei ist die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 zusammen mit den sinterbaren Partikeln 12 in einer Transferschicht 24, etwa als Klebefolie, angeordnet. Die
Transferschicht 24 ist dabei zwischen wenigstens zwei Schutzschichten 26, 28 insbesondere aufweisend eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organischen Verbindung 30 angeordnet.
Um eine Sinterverbindung 22 auszubilden kann zunächst eine Schutzschicht 28 entfernt und der Ausgangswerkstoff 10 auf die erste Komponente 20 übertragen werden. Nach dem Entfernen der zweiten Schutzschicht 26 beziehungswiese sämtlicher noch vorhandener Schutzschichten wird die zweite Komponente 18 entsprechend auf dem Ausgangswerkstoff 10 beziehungsweise auf der
Transferschicht 14 positioniert. Dabei wird hier und gegebenenfalls auch bei weiteren Verfahrensschritten von dem Ausgangswerkstoff 10 gesprochen obwohl zumindest teilweise nur ein Teil des Ausgangswerkstoffs vorhanden ist, was im Sinne der Erfindung jedoch von Ausgangswerkstoff 10 umfasst sein kann. Dieser Zustand ist in Figur 3b gezeigt.
Im Anschluss kann eine erste Temperaturbehandlung erfolgen, bei welcher die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 schmilzt und beispielsweise klebrig werden kann. Bei dem Sinterprozess kann die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung 14 entfernt werden und ferner durch die erhöhte Temperatur die gesinterten versinterbaren Partikel eine Sinterverbindung 22 ausbilden, wie dies in der Figur 3c gezeigt ist.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten (18, 20) unter Verwendung eines Sinterprozesses, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Ausgangswerkstoffs (10) einer Sinterverbindung (22), umfassend sinterbare Partikel (12), aufweisend mindestens ein Metall oder mindestens eine Metallverbindung, und mindestens eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14), wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) eine Fließtemperatur aufweist, die größer oder gleich der Raumtemperatur und kleiner als die Sintertemperatur ist, und wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische
Verbindung (14) ferner eine Desorptionstemperatur aufweist, die größer als die Fließtemperatur und kleiner oder gleich der Sintertemperatur ist; b) Anordnen des Ausgangswerkstoffs (10) zwischen zwei zu verbindenden Komponenten (18, 20);
c) Erwärmen des Ausgangswerkstoffs (10) auf eine Temperatur Tl, die größer oder gleich der Fließtemperatur der polymeren,
polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung (14) und kleiner als die Desorptionstemperatur der polymeren,
polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung (14) ist für eine Zeit tl; und
d) Erwärmen des Ausgangswerkstoffs (10) auf eine Temperatur T2, die größer oder gleich der Sintertemperatur der sinterbaren Partikel (12) ist, gegebenenfalls unter Einwirkung eines Sinterdrucks, für eine Zeitdauer t2 unter Ausbildung einer Sinterverbindung (22).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Desorptionstemperatur die
Siedetemperatur, Zersetzungstemperatur oder eine Reaktionstemperatur der polymeren, polymerisierbaren und/oder monomeren organischen Verbindung (14) mit den sinterbaren und/oder mit gesinterten Partikeln (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die sinterbaren Partikel (12) Silber, Gold, Platin, Palladium und/oder Kupfer, eine organische
Metallverbindung, insbesondere Silbercarbonat, Silberlactat oder
Silberstearat, ein Metalloxid, insbesondere Silberoxid, oder eine Mischung aufweisend eine oder mehrere der vorgenannten Substanzen enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) ein Polyolefin, insbesondere umfassend Polyethylen und/oder Polypropylen, ein Polyethylencopolymer, ein Polyketon oder eine Mischung aufweisend eine oder mehrere der vorgenannten Substanzen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) eine Matrix ausbildet, in welcher die sinterbaren Partikel (12) eingebettet sind, oder wobei die polymere, polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) als Beschichtung auf den sinterbaren Partikeln (12) vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ausgangswerkstoff (10) auf wenigstens eine zu verbindende Komponente durch Drucken, Rakeln oder Dispensen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ausgangswerkstoff (10) eine Transferschicht (24) aufweist, die zwischen wenigstens zwei Schutzschichten (26, 28) insbesondere aufweisend eine polymere, polymerisierbare und/oder monomere organischen Verbindung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Schutzschichten (26, 28) vor oder bei Verfahrensschritt b) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Schutzschichten (26, 28) Polyethylenterephtalat aufweisen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Ausgangswerkstoff (10) in Form einer Paste, eines Pulvers, eines Ganulats oder einer Folie bereitgestellt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die polymere,
polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) während oder nach Verfahrensschritt c) abgeleitet oder entfernt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die polymere,
polymerisierbare und/oder monomere organische Verbindung (14) wenigstens ein Additiv enthält, das mit den sinterbaren Partikeln (12), insbesondere mit der organischen Metallverbindung, unter Reduktion der Sintertemperatur reagieren.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Sinterverbindung (22) erzeugt wird, die eine elektrische Leitfähigkeit von größer oder gleich 30 MS/m bis insbesondere kleiner oder gleich 45 MS/m, insbesondere von größer oder gleich 36 MS/m bis insbesondere kleiner oder gleich 44 MS/m, aufweist, und/oder wobei eine Sinterverbindung (22) erzeugt wird, die eine thermische Leitfähigkeit von größer oder gleich 200 W/mK bis kleiner oder gleich 300 W/mK, insbesondere von größer oder gleich 220 W/mK bis kleiner oder gleich 275 W/mK, aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei als eine der zu
verbindenden Komponenten (18) ein elektronisches Bauelement und als eine weitere der zu verbindenden Komponenten (20) ein Substrat, insbesondere aufweisend eine Kupferverbindung, verwendet wird.
15. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Erzeugen eines elektronischen Bauteils, insbesondere einer elektronischen Schaltung.
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