EP4662706A1 - Verfahren sowie fertigungsvorrichtung zur herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen schnittstelle für eine verbindung von elektronischen bauteilen - Google Patents

Verfahren sowie fertigungsvorrichtung zur herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen schnittstelle für eine verbindung von elektronischen bauteilen

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EP4662706A1
EP4662706A1 EP24703281.6A EP24703281A EP4662706A1 EP 4662706 A1 EP4662706 A1 EP 4662706A1 EP 24703281 A EP24703281 A EP 24703281A EP 4662706 A1 EP4662706 A1 EP 4662706A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
electrically conductive
conductive material
generative manufacturing
component
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703281.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Zillmann
Ulrich Kessler
Hartmut Wayand
Johannes MECKBACH
Arne Stephen FISCHER
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4662706A1 publication Critical patent/EP4662706A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H10W90/734—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of die-attach connectors between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a material-bonded, electrically conductive interface for connecting electronic components.
  • the invention also relates to a manufacturing device for producing a material-bonded, electrically conductive interface for connecting electronic components and an assembly.
  • the current structure and connection technology for connecting semiconductors in electronic components is mostly based on solder connections or sintered connections.
  • solder connections or sintered connections For applications with high requirements in terms of thermal and mechanical connection without the use of lead, a silver sintered connection is usually chosen.
  • sintering is necessary due to the high electrical currents and temperatures in order to ensure the requirements for service life and reliability.
  • the common process flow is usually based on a metallic surface that is coated with a sintering paste.
  • the components in the sintering paste are then applied to the metallic surface using pick & place.
  • the sintering paste is then sintered under the influence of pressure and temperature and then cleaned.
  • the central problems with bonding using the usual sintering process vary depending on whether the sintering paste is dried after printing, the components to be sintered are placed in the wet sintering paste, or a so-called sintering film is used.
  • the publication DE 10 2016 117 776 A1 describes a method for producing a power module in order to create an enclosure for (power) components that consists of plastics (polymers) that are filled with thermal conductivity or electrical and thermal conductivity.
  • the polymer which is filled with electrical and thermal conductivity, takes on the task of electrically contacting the (power) component and forming electrically conductive paths in its enclosure.
  • the invention provides a method for producing a material-bonded, electrically conductive interface for connecting electronic components with the features of claim 1 and a manufacturing device for producing a material-bonded, electrically conductive interface for connecting electronic components with the features of claim 10.
  • a method for producing a material-locking, electrically conductive interface for connecting electronic components, in particular for a semiconductor connection.
  • the method comprises the step of coating at least one region of a surface of a substrate with a metallic material.
  • the method comprises creating a bonding point from an electrically conductive material by means of a generative/additive manufacturing process within the coated at least one region of the surface of the substrate.
  • the method further comprises joining a component and the substrate to one another so that the electrically conductive material connects the component to the substrate in a material-locking manner.
  • a manufacturing device is provided for producing a material-bonded, electrically conductive interface for connecting electronic components. The manufacturing device is designed to carry out the method according to the invention.
  • One idea underlying the present invention is to provide a sinterable area of a surface on a substrate by means of an additive manufacturing process in order to apply local structures or components.
  • the material properties of the sinterable surface can be adapted depending on the electrically conductive material used and the settings of the generative manufacturing process, so that a sinterable surface is created from the electrically conductive material.
  • the minimum lateral distances required around the functional surface to the underlying base structure when using sintering paste can be reduced, for example from a minimum distance of at least 600 pm to a maximum of 100 pm or even less. This results in more freedom in the overall layout.
  • the previously necessary process step of sinter paste printing or the use of sintering foil can be avoided.
  • a drying process for the area printed with sinter paste can be shortened, reduced or completely eliminated.
  • the proportion of liquid additives can be reduced or even completely avoided so that the liquid additives do not have to be expelled.
  • the component to be sintered cannot sink into the sinter paste and thus reduce the air and creepage distances. Drying channels can also be reduced or completely avoided.
  • a further advantage is that the method according to the invention can be carried out more quickly and does not require hot placement.
  • the present invention can be applied more gently to the component to be placed than is the case, in particular, with the punching process in the case of a sintering film.
  • the use of cleaning media and additives for sintering paste mixtures, which are unavoidable in the previous processes, can be reduced.
  • the component and the substrate are joined together by sintering the bonding point made of the electrically conductive material. This allows a permanent connection between the component and the substrate to be made without any additional auxiliary or adhesive materials.
  • the metallic material is made of silver, gold, copper or an alloy thereof.
  • the electrically conductive material is made of silver, gold, copper or an alloy thereof. In this way, good electrical conductivity can be provided. In addition, these materials can be easily machined. Furthermore, sensitive electronic components can be protected in this way.
  • the metallic material and the electrically conductive material are essentially identical.
  • the process parameters for coating using the generative manufacturing process differ from the process parameters for creating the bonding point using the generative manufacturing process in such a way that the metallic material is less porous when the bonding point is created from the electrically conductive material than when coating.
  • the material-fit connection can therefore be made from one material and therefore has essentially homogeneous material properties.
  • influences on the electrical conductivity of the material-fit connection caused by a change in material can be reduced.
  • at least one side of the binding site facing away from the substrate has an open-pored structure.
  • the pore size or the structural size of the open-pored structure preferably has a range from about 5 pm to about 100 pm.
  • the pore size or the structural size of the open-pored structure has a range from about 10 pm to about 50 pm.
  • the binding site therefore contains a lower packing density of the particles of the electrically conductive material than is usual when using a generative manufacturing process to produce a conventional product with the same material. In this way, the binding site can be sintered downstream.
  • process parameters of the generative manufacturing process are adapted to the composition and/or the particle size of the electrically conductive material in such a way that a porosity of the bonding site is at most 50%, preferably at most 40%, in particular at most 30%, and at least 10%.
  • the process parameters include in particular an energy density of a radiation energy.
  • the bonding site therefore contains a lower packing density of the particles of the electrically conductive material than is usual when using a generative manufacturing process to produce a conventional product with the same material. In this way, the bonding site can be sintered downstream.
  • the generative manufacturing process is used as a selective laser melting process (SLM).
  • the generative manufacturing process is used as a powder bed fusion - laser beam process (PBF-LB).
  • PPF-LB powder bed fusion - laser beam process
  • a side of the bonding site facing the substrate is welded to the coating of the substrate when the bonding site is created.
  • other generative / additive processes for generative manufacturing can be considered. This can improve the processability of the metallic material and / or the electrically conductive material.
  • the generative manufacturing process is used as an inkjet process, whereby the electrically conductive material is designed as an electrically conductive metal-thermoset composition or as another electrically conductive metal-polymer composition.
  • the inkjet process can also be combined with a selective laser beam melting process.
  • the inkjet process can produce a greater variety of particle shapes of the electrically conductive material, in particular spherical, elongated or angular particles. This can influence the quality of the connection of the component when joining it to the substrate.
  • the coating of at least one region of the surface of the substrate is effected by means of a generative manufacturing process.
  • the coating can be produced in the same machine as the creation of the bonding point. If the bonding point is created by a powder bed-based generative manufacturing process, such as SLM or PBF-LB, process parameters of the generative manufacturing process can be adjusted so that a lower porosity is produced for the coating than for the bonding point. If the bonding point is created by the inkjet process, the metallic material applied during the generative process can be sintered following the generative process in order to produce the coating by reducing the porosity of the metallic material.
  • the invention further relates to an assembly comprising a substrate and an electronic component, wherein a surface of the substrate is materially connected to the electronic component via a generatively produced bonding site made of an electrically conductive material.
  • a surface of the substrate is materially connected to the electronic component via a generatively produced bonding site made of an electrically conductive material.
  • at least one side of the bonding site facing away from the substrate has an open-pore structure, wherein the pore size/structure size of the open-pore structure has a range from about 5 pm to about 100 pm, in particular a range from about 10 pm to about 50 pm.
  • at least one area of the surface of the substrate between the surface and the bonding site is coated with a metallic material, wherein the Bonding site has a lower porosity than the coated metallic material.
  • the assembly is manufactured by the described method
  • Fig. 1 is a schematic representation of a manufacturing device for producing a material-locking, electrically conductive interface for connecting electronic components according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a flow chart of a method for producing a material-locking, electrically conductive interface for connecting electronic components according to an embodiment of the invention.
  • Sintering in the sense of this application means a process for producing or modifying materials. Fine-grained metallic materials are heated - usually under increased pressure - but the temperatures remain below the melting temperature of the main components so that the shape of the workpiece is retained. This usually results in shrinkage because the particles of the starting material are compressed and pore spaces are filled.
  • the material to be processed is applied in powder form in a thin layer on a base plate.
  • the powdered material can be completely melted locally using laser radiation or only partially melted in order to set a specific porosity and forms a solid or porous material layer after solidification.
  • the base plate is lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again.
  • An inkjet process within the meaning of this application is a generative/additive manufacturing process in which liquid UV-curing material is dispensed from a print head.
  • a bonding point in the sense of this application means a material structure that adheres sufficiently firmly so that, for example, the bonding point is not cleaned off during the final depowdering, i.e. the removal of the excess metallic powder, after the SLM process.
  • the component to be sintered, which is subsequently joined to the porous, adhering structure, is held in position in particular by gravity.
  • a form fit can be achieved between the previously created structure and the component to be joined in order to achieve a high degree of potency accuracy.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a manufacturing device 1 for producing a material-locking, electrically conductive interface for connecting electronic components.
  • the manufacturing device 1 contains a coating device 12, a device 11 for layer-by-layer generation of a bonding site 4, and a joining device 13.
  • the coating device 12 is designed, for example, to coat at least a region of a surface 2 of a substrate 3 with a metallic material.
  • the device 11 for layer-by-layer generation of the binding site 4 is designed, for example, to produce the binding site 4 from an electrically conductive material by means of a generative manufacturing process within the coated region of the surface 2 of the substrate 3.
  • the device 11 can have the electrically conductive material in powder form in a powder bed 6.
  • the substrate 3 can also be supported in the powder bed 6.
  • the electrically conductive material can be in a
  • the powder can be stored in a storage tank 7 and moved between the storage tank 7 and the powder bed 6 using a movable element 8.
  • a radiation source 9 can be provided which is designed to emit a laser beam 10.
  • the device 11 for layer-by-layer generation of the binding site 4 can further be designed to coat at least a region of the surface 2 of the substrate 3 with a metallic material.
  • the joining device 13 is designed, for example, to join a component 5 and the substrate 3 together so that the electrically conductive material connects the component 5 to the substrate 3 in a material-locking manner.
  • the bonding point 4 can be sinterable.
  • Fig. 2 shows a flow chart of a method V for producing a material-locking, electrically conductive interface for connecting electronic components.
  • the method V optionally comprises providing V1 a substrate 3, a metallic material and an electrically conductive material.
  • the method V comprises coating V2 at least one region of a surface 2 of the substrate 3 with the metallic material.
  • the metallic material is made of silver. However, it is not limited thereto and can alternatively be made of gold, copper or an alloy thereof.
  • the substrate 3 can be coated by means of a generative manufacturing process, in particular by selective laser beam melting (SLM).
  • SLM selective laser beam melting
  • the at least one region of the surface 2 of the substrate 3 extends over such a large area over the surface 2 of the substrate 3 that the coated region is larger than a binding site 4 to be created.
  • the coated region can also be substantially covered with a substrate facing side of the binding site, i.e. the binding site covers the coated area of the substrate 3.
  • the method V includes creating V3 the binding site 4 from an electrically conductive material by means of a generative manufacturing process within the coated region of the surface 2 of the substrate 3.
  • the generative manufacturing process is preferably used as a selective laser melting process SLM.
  • the electrically conductive material is made of silver. This means that the metallic material and the electrically conductive material are preferably essentially identical.
  • a starting material for the metallic material and/or the electrically conductive material comprises in particular a metal powder.
  • a side of the binding site 4 facing the substrate 3 can be welded to the coating of the substrate 3 in this process step.
  • a first or a bottom layer of the binding site 4 is welded to the coating of the substrate 3.
  • layers adjacent to the first or bottom layer can also be welded.
  • process parameters may exist during coating V2 by means of SLM which differ from the process parameters during creation V3 of the binding site 4 by means of SLM in such a way that a lower porosity of the silver is created during coating V2 than during creation V3 of the binding site from silver.
  • At least one side of the binding site 4 facing away from the substrate 3 has an open-pore structure.
  • the pore size or structure size of the open-pore structure preferably has a range from about 5 pm to about 100 pm.
  • an energy density of a laser beam 10 of the SLM process can be adapted to the composition and/or the particle size of the silver in such a way that a porosity of the binding site 4 is at most 50% and at least 10%
  • the porosity of the binding site 4 can be at most 40% and at least 15%.
  • the stated values for the porosity relate in particular to a surface of the side of the binding site 4 facing away from the substrate 3. Nevertheless, the porosity in deeper layers of the binding site 4 can also be essentially constant starting from the surface of the side of the binding site 4 facing away from the substrate 3.
  • the method V includes a joining V4 of a component 5 and the substrate 3 to one another, so that the electrically conductive material connects the component 5 to the substrate 3 in a material-locking manner.
  • the component 5 is joined in the coated region of the surface 2 of the substrate 3.
  • the component 5 and the substrate 3 can be joined together by sintering the bonding site 4 made of silver.
  • the component 5 is designed, for example, as an electronic component, in particular as a semiconductor or similar. Furthermore, a contact side of the component 5, that is to say the side of the component 5 which is pressed into the adhesive bonding site 4, can be made, for example, from silver, gold, copper or an alloy thereof.
  • the method V further includes a cleaning V5 of the joined substrate 3 with the component 5.

Landscapes

  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (V) zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen, insbesondere für eine Halbleiteranbindung, sowie einer Fertigungsvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Das Verfahren umfasst Beschichten (V2) zumindest eines Bereichs einer Oberfläche (2) eines Substrats (3) mit einem metallischen Werkstoff; Erzeugen einer adhäsiven Bindungsstelle (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material mittels eines generativen Fertigungsverfahrens innerhalb des beschichteten zumindest einen Bereichs der Oberfläche (2) des Substrats (3); und Fügen eines Bauteils (5) und des Substrats (3) miteinander, so dass das elektrisch leitfähige Material das Bauteil (5) stoffschlüssig mit dem Substrat (3) verbindet.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren sowie Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen. Ebenso betrifft die Erfindung eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen und eine Baugruppe.
Stand der Technik
Der derzeitige Aufbau und die Verbindungstechnik für die Anbindung von Halbleitern in elektronischen Bauteilen basiert zumeist auf Lötanbindungen oder Sinteranbindungen. Für Anwendungen mit hohen Anforderungen hinsichtlich der thermischen und mechanischen Anbindung ohne Verwendung von Blei wird üblicherweise eine Silbersinteranbindung gewählt. Insbesondere im Bereich von Elektromobilität ist aufgrund der hohen elektrischen Ströme und Temperaturen eine Sinterung notwendig, um die Anforderungen an die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Der gängige Prozessfluss basiert üblicherweise auf einer metallischen Oberfläche, welche mit einer Sinterpaste bestrichen wird. Anschließend werden per Pick & Place die Bauteile in der Sinterpaste auf der metallischen Oberfläche aufgebracht. Weiter wird die Sinterpaste unter Druck- und Temperatureinfluss gesintert und abschließend gereinigt. Die zentralen Probleme bei der Anbindung mittels des üblichen Sinterprozesses variieren je nachdem, ob die Sinterpaste nach dem Druck getrocknet wird, die anzusinternden Bauteile in die nasse Sinterpaste gesetzt werden, oder eine sogenannte Sinterfolie verwendet wird.
Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2016 117 776 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungsbaugruppe, um eine Umhüllung von (Leistungs-) Bauelementen zu schaffen, die aus Kunststoffen (Polymeren) besteht, welche thermisch leitfähig oder elektrisch und thermisch leitfähig gefüllt sind. Dabei übernimmt das elektrisch und gleichermaßen thermisch leitfähig gefüllte Polymer die Aufgabe, das (Leistungs-) Bauelement elektrisch zu kontaktieren und elektrisch leitfähige Pfade in dessen Umhüllung zu bilden.
Dennoch verbleiben im Stand der Technik Probleme, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen, insbesondere für eine Halbleiteranbindung, vorgesehen. Das Verfahren umfasst den Schritt Beschichten zumindest eines Bereichs einer Oberfläche eines Substrats mit einem metallischen Werkstoff. Darüber hinaus umfasst das Verfahren ein Erzeugen einer Bindungsstelle aus einem elektrisch leitfähigen Material mittels eines generativen / additiven Fertigungsverfahrens innerhalb des beschichteten zumindest einen Bereichs der Oberfläche des Substrats. Ferner umfasst das Verfahren ein Fügen eines Bauteils und des Substrats miteinander, so dass das elektrisch leitfähige Material das Bauteil stoffschlüssig mit dem Substrat verbindet. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen vorgesehen. Die Fertigungsvorrichtung ist ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen sinterbaren Bereich einer Oberfläche auf einem Substrat mittels eines additiven Fertigungsverfahrens bereitzustellen, um lokale Strukturen beziehungsweise Bauteile aufzubringen. Dabei können die Materialeigenschaften der sinterbaren Oberfläche in Abhängigkeit des verwendeten elektrisch leitfähigen Materials und der Einstellungen des generativen Fertigungsverfahrens angepasst werden, sodass eine sinterbare Oberfläche aus dem elektrisch leitfähigen Material entsteht.
Vorteilhafterweise können die bei der Verwendung von Sinterpaste notwendigen lateralen Mindestabstände um die Funktionsfläche herum zur darunterliegenden Basisstruktur reduziert werden, beispielsweise von mindestens 600 pm Mindestabstand auf höchstens 100 pm oder noch weniger. Hierdurch ergeben sich mehr Freiheiten im Gesamtlayout.
Darüber hinaus kann der bisher notwendige Verfahrensschritt Sinterpastendruck oder die Verwendung der Sinterfolie vermieden werden. Weiterhin kann ein Trocknungsvorgang des mit Sinterpaste bedruckten Bereichs verkürzt, verringert oder komplett eingespart werden. Zusätzlich kann ein Anteil an flüssigen Zusätzen reduziert werden, oder gar komplett vermieden werden, so dass die flüssigen Zusätze nicht ausgetrieben werden müssen. Das zu sinternde Bauteil kann ferner nicht in die Sinterpaste einsinken und damit die Luft- und Kriechstrecken reduzieren. Ebenso können Trocknungskanäle reduziert, oder komplett vermieden werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren schneller durchgeführt werden kann und es dabei kein Heißbestücken benötigt. Zudem kann die vorliegende Erfindung schonender für das zu bestückende Bauteil angewendet werden, als dies insbesondere beim Stanzvorgang im Falle einer Sinterfolie gegeben ist. Ferner kann die Verwendung von Reinigungsmedien und Zusätzen für Sinterpastenmischungen verringert werden, die bei den bisherigen Prozessen unumgänglich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden das Bauteil und das Substrat durch Sintern der Bindungsstelle aus dem elektrisch leitfähigen Material miteinander gefügt. Somit kann eine dauerhafte Verbindung des Bauteils mit dem Substrat ohne weitere Hilfs- oder Haftstoffe hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens ist der metallische Werkstoff aus Silber, Gold, Kupfer oder einer Legierung davon hergestellt. Alternativ oder zusätzlich ist das elektrisch leitfähige Material aus Silber, Gold, Kupfer oder einer Legierung davon hergestellt. Auf diese Weise kann eine gute elektrische Leitfähigkeit bereitgestellt werden. Darüber hinaus können diese Materialien einfach mechanisch bearbeitet werden. Weiter können damit empfindliche elektronische Bauteile geschont werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens sind der metallische Werkstoff und das elektrisch leitfähige Material im Wesentlichen identisch. Darüber hinaus unterscheiden sich Prozessparameter beim Beschichten mittels des generativen Fertigungsverfahrens von den Prozessparametern beim Erzeugen der Bindungsstelle mittels des generativen Fertigungsverfahrens derart, dass beim Erzeugen der Bindungsstelle aus dem elektrisch leitfähigen Material eine geringere Porosität des metallischen Werkstoffs entsteht als beim Beschichten. Somit kann die stoffschlüssige Verbindung aus einem Material entstehen und weist dadurch im Wesentlichen homogene Materialeigenschaften auf. Darüber hinaus können durch einen Materialwechsel hervorgerufene Einflüsse auf die elektrische Leitfähigkeit der stoffschlüssigen Verbindung reduziert werden. Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens weist zumindest eine von dem Substrat abgewandte Seite der Bindungsstelle eine offenporige Struktur auf. Die Porengröße beziehungsweise die Strukturgröße der offenporigen Struktur weist vorzugsweise einen Bereich von etwa 5 pm bis etwa 100 pm auf. Insbesondere weist die Porengröße beziehungsweise die Strukturgröße der offenporigen Struktur einen Bereich von etwa 10 pm bis etwa 50 pm auf. Damit enthält die Bindungsstelle eine geringere Packungsdichte der Partikel des elektrisch leitfähigen Materials als es bei der Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens zur Herstellung eines herkömmlichen Produkts mit demselben Material üblich ist. Auf diese Weise kann die Bindungsstelle nachgelagert gesintert werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden beim Erzeugen der Bindungsstelle Prozessparamter des generativen Fertigungsverfahrens derart an die Zusammensetzung und/oder die Partikelgröße des elektrisch leitfähigen Materials angepasst, dass eine Porosität der Bindungsstelle höchstens 50 %, vorzugsweise höchstens 40 %, insbesondere höchstens 30 %, und mindestens 10 % beträgt. Die Prozessparameter umfassen insbesondere eine Energiedichte einer Strahlungsenergie. Damit enthält die Bindungsstelle eine geringere Packungsdichte der Partikel des elektrisch leitfähigen Materials als es bei der Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens zur Herstellung eines herkömmlichen Produkts mit demselben Material üblich ist. Auf diese Weise kann die Bindungsstelle nachgelagert gesintert werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird das generative Fertigungsverfahren als selektives Laserschmelzverfahren (SLM) angewendet. Alternativ wird das generative Fertigungsverfahren als powder bed fusion - laser beam-Verfahren (PBF-LB) angewendet. Dabei wird eine dem Substrat zugewandte Seite der Bindungsstelle beim Erzeugen der Bindungsstelle mit der Beschichtung des Substrats verschweißt. Darüber hinaus kommen weitere generative / additive Verfahren zur generativen Fertigung in Betracht. Somit kann eine Verarbeitbarkeit des metallischen Werkstoffs und/oder des elektrisch leitfähigen Materials verbessert werden. Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird das generative Fertigungsverfahren als Inkjetverfahren angewendet, wobei das elektrisch leitfähige Material als elektrisch leitfähige Metall-Duroplast-Zusammensetzung oder als sonstige elektrisch leitfähige Metall-Polymer-Zusammensetzung ausgebildet ist. Optional kann das Inkjetverfahren auch mit einem selektiven Laserstrahlschmelzverfahren kombiniert werden. Das Inkjetverfahren kann eine größere Vielfalt an Partikelformen des elektrisch leitfähigen Materials bewirken, insbesondere sphärische, längliche oder kantige Partikel. Dadurch kann eine Anbindungsqualität des Bauteils beim Fügen mit dem Substrat beeinflusst werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird das Beschichten des zumindest einen Bereichs der Oberfläche des Substrats mittels eines generativen Fertigungsverfahrens bewirkt. Auf diese Weise kann die Anzahl der Prozessschritte verringert werden. Des Weiteren kann das Beschichten in derselben Maschine wie das Erzeugen der Bindungsstelle hergestellt werden. Wenn das Erzeugen der Bindungsstelle durch ein pulverbettbasiertes generatives Fertigungsverfahren, wie SLM oder PBF-LB, bewirkt wird, können Prozessparameter des generativen Fertigungsverfahrens so angepasst werden, dass für die Beschichtung eine geringere Porosität hergestellt wird als für die Bindungsstelle. Wenn das Erzeugen der Bindungsstelle durch das Inkjetverfahren bewirkt wird, kann anschließend an den generativen Prozess das dabei aufgetragene metallische Material versintert werden, um die Beschichtung herzustellen, indem die Porosität des metallischen Materials verringert wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe umfassend ein Substrat und ein elektronisches Bauteil, wobei eine Oberfläche des Substrats über eine generativ hergestellte Bindungsstelle aus einem elektrisch leitfähigen Material mit dem elektronischen Bauteil stoffschlüssig verbunden ist. Vorzugsweise weist zumindest eine von dem Substrat abgewandte Seite der Bindungsstelle eine offenporige Struktur auf, wobei die Porengröße/Strukturgröße der offenporigen Struktur einen Bereich von etwa 5 pm bis etwa 100 pm, insbesondere einen Bereich von etwa 10 pm bis etwa 50 pm, aufweist. Insbesondere ist zumindest ein Bereich der Oberfläche des Substrats zwischen der Oberfläche und der Bindungsstelle mit einem metallischen Werkstoff beschichtet, wobei die Bindungsstelle eine geringere Porosität aufweist als der beschichtete, metallische Werkstoff. Vorzugsweise ist die Baugruppe durch das beschriebene Verfahren hergestellt
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Sintern im Sinne dieser Anmeldung bedeutet ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen. Dabei werden feinkörnige metallische Stoffe - in der Regel unter erhöhtem Druck - erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt (Form) des Werkstückes erhalten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume aufgefüllt werden.
Beim selektiven Laser(strahl)schmelzen im Sinne dieser Anmeldung wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff kann mittels Laserstrahlung lokal vollständig umgeschmolzen werden oder nur teilweise aufgeschmolzen werden, um eine spezifische Porosität einzustellen und bildet nach der Erstarrung eine feste oder poröse Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen.
Ein Inkjetverfahren im Sinne dieser Anmeldung ist ein generatives/additives Fertigungsverfahren, bei dem flüssiges UV-härtendes Material aus einem Druckkopf abgegeben wird.
Eine Bindungsstelle im Sinne dieser Anmeldung bedeutet eine hinreichend fest anhaftende Materialstruktur, so dass beispielsweise bei der abschließenden Entpulverung, also der Entfernung des überschüssigen metallischen Pulvers, nach dem SLM Verfahren die Bindungsstelle nicht mit abgereinigt wird. Das anzusinternde Bauteil, welches im Nachgang auf die poröse anhaftende Struktur gefügt wird, wird insbesondere aufgrund der Schwerkraft in Position gehalten. Zusätzlich kann ein Formschluss zwischen der zuvor erzeugten Struktur und dem zu fügenden Bauteil erzielt werden um eine hohe Potionsgenauigkeit zu erzielen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fertigungsvorrichtung 1 zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen.
Die Fertigungsvorrichtung 1 enthält eine Beschichtungseinrichtung 12, eine Einrichtung 11 zum schichtweisen Generieren einer Bindungsstelle 4, und eine Fügeeinrichtung 13.
Die Beschichtungseinrichtung 12 ist beispielsweise dazu ausgebildet, zumindest einen Bereich einer Oberfläche 2 eines Substrats 3 mit einem metallischen Werkstoff zu beschichten.
Die Einrichtung 11 zum schichtweisen Generieren der Bindungsstelle 4 ist beispielsweise dazu ausgebildet, die Bindungsstelle 4 aus einem elektrisch leitfähigen Material mittels eines generativen Fertigungsverfahrens innerhalb des beschichteten Bereichs der Oberfläche 2 des Substrats 3 zu erzeugen. Dabei kann die Einrichtung 11 das elektrisch leitfähige Material in Pulverform in einem Pulverbett 6 aufweisen. In dem Pulverbett 6 kann zudem das Substrat 3 abgestützt sein. Zusätzlich kann das elektrisch leitfähige Material in einem Vorratsspeicher 7 bevorratet sein und mithilfe eines verschiebbaren Elements 8 zwischen dem Vorratsspeicher 7 und dem Pulverbett 6 verschoben werden. Ferner kann eine Strahlungsquelle 9 vorgesehen sein, welche ausgebildet ist, einen Laserstrahl 10 auszusenden.
Optional kann die Einrichtung 11 zum schichtweisen Generieren der Bindungsstelle 4 ferner dazu ausgebildet sein, zumindest einen Bereich der Oberfläche 2 des Substrats 3 mit einem metallischen Werkstoff zu beschichten.
Die Fügeeinrichtung 13 ist beispielsweise dazu ausgebildet, ein Bauteil 5 und das Substrat 3 miteinander zu fügen, so dass das elektrisch leitfähige Material das Bauteil 5 stoffschlüssig mit dem Substrat 3 verbindet. Dabei kann die Bindungsstelle 4 sinterbar sein.
Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens V zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen.
Das Verfahren V umfasst optional ein Bereitstellen V1 eines Substrats 3, eines metallischen Werkstoffs und eines elektrisch leitfähigen Materials.
Ferner umfasst das Vefahren V ein Beschichten V2 zumindest eines Bereichs einer Oberfläche 2 des Substrats 3 mit dem metallischen Werkstoff. Beispielhaft ist der metallische Werkstoff aus Silber hergestellt. Jedoch ist er nicht darauf beschränkt und kann alternativ aus Gold, Kupfer oder einer Legierung davon hergestellt sein.
Beim Beschichten V2 kann das Substrat 3 die Beschichtung mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere durch selektives Laserstrahlschmelzen (SLM), bewirkt werden.
Vorzugsweise erstreckt sich der zumindest eine Bereich der Oberfläche 2 des Substrats 3 so großflächig über die Oberfläche 2 des Substrats 3, dass der beschichtete Bereich größer als eine zu erzeugende Bindungsstelle 4 ist. Jedoch kann der beschichtete Bereich auch im Wesentlichen mit einer dem Substrat zugewandten Seite der Bindungsstelle korrespondieren, das heißt die Bindungsstelle bedeckt den beschichteten Bereich des Substrats 3.
Darüber hinaus enthält das Verfahren V ein Erzeugen V3 der Bindungsstelle 4 aus einem elektrisch leitfähigen Material mittels eines generativen Fertigungsverfahrens innerhalb des beschichteten Bereichs der Oberfläche 2 des Substrats 3. Vorzugsweise wird das generative Fertigungsverfahren als selektives Laserschmelzverfahren SLM angewendet. Das elektrisch leitfähige Material ist dabei aus Silber hergestellt. Das heißt der metallische Werkstoff und das elektrisch leitfähige Material sind vorzugsweise im Wesentlichen identisch. Ein Ausgangsmaterial für den metallischen Werkstoff und/oder das elektrisch leitfähige Material weist insbesondere ein Metallpulver auf.
Beispielsweise kann eine dem Substrat 3 zugewandte Seite der Bindungsstelle 4 bei diesem Verfahrensschritt mit der Beschichtung des Substrats 3 verschweißt werden. Insbesondere werden dabei eine erste bzw. eine unterste Schicht der Bindungsstelle 4 mit der Beschichtung des Substrat 3 verschweißt. Zusätzlich können auch an die erste bzw. unterste Schicht angrenzende Schichten mit verschweißt werden.
Wenn die Beschichtung durch SLM bewirkt wird, können beim Beschichten V2 mittels SLM Prozessparameter vorliegen, welche sich von den Prozessparametern beim Erzeugen V3 der Bindungsstelle 4 mittels SLM derart unterscheiden, dass beim Beschichten V2 eine geringere Porosität des Silbers entsteht als beim Erzeugen V3 der Bindungsstelle aus Silber.
Zum Beispiel weist zumindest eine von dem Substrat 3 abgewandte Seite der Bindungsstelle 4 eine offenporige Struktur auf. Die Porengröße bzw. Strukturgröße der offenporigen Struktur weist vorzugsweise einen Bereich von etwa 5 pm bis etwa 100 pm.
Alternativ oder zusätzlich kann beim Erzeugen V3 der Bindungsstelle 4 eine Energiedichte eines Laserstrahls 10 des SLM Verfahrens derart an die Zusammensetzung und/oder die Partikelgröße des Silbers angepasst werden, dass eine Porosität der Bindungsstelle 4 höchstens 50 % und mindestens 10 % beträgt. Wahlweise kann die Porosität der Bindungsstelle 4 höchstens 40 % und mindestens 15 % betragen. Dabei beziehen sich die genannten Werte für die Porosität insbesondere auf eine Oberfläche der dem Substrat 3 abgewandten Seite der Bindungsstelle 4. Dennoch kann ebenso die Porosität in tieferen Schichten der Bindungsstelle 4 ausgehend von der Oberfläche der dem Substrat 3 abgewandten Seite der Bindungsstelle 4 im Wesentlichen konstant sein.
Zusätzlich beinhaltet das Verfahren V ein Fügen V4 eines Bauteils 5 und des Substrats 3 miteinander, so dass das elektrisch leitfähige Material das Bauteil 5 stoffschlüssig mit dem Substrat 3 verbindet. Dabei wird das Bauteil 5 in dem beschichteten Bereich der Oberfläche 2 des Substrats 3 gefügt.
Weiterhin können das Bauteil 5 und das Substrat 3 durch Sintern der Bindungsstelle 4 aus dem Silber miteinander gefügt werden.
Das Bauteil 5 ist beispielsweise als elektronisches Bauteil, insbesondere als Halbleiter oder vergleichbares, ausgebildet. Ferner kann eine Kontaktseite des Bauteils 5, das heißt die Seite des Bauteils 5, welche in die adhäsive Bindungsstelle 4 gedrückt wird, beispielsweise aus Silber, Gold, Kupfer oder einer Legierung davon hergestellt sein.
Optional enthält das Vefahren V ferner ein Reinigen V5 des gefügten Substrats 3 mit dem Bauteil 5.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren (V) zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen, insbesondere für eine Halbleiteranbindung, mit den Verfahrensschritten:
Beschichten (V2) zumindest eines Bereichs einer Oberfläche (2) eines Substrats (3) mit einem metallischen Werkstoff;
Erzeugen (V3) einer Bindungsstelle (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material mittels eines generativen Fertigungsverfahrens innerhalb des beschichteten zumindest einen Bereichs der Oberfläche (2) des Substrats (3); und
Fügen (V4) eines Bauteils (5) und des Substrats (3) miteinander, so dass das elektrisch leitfähige Material das Bauteil (5) stoffschlüssig mit dem Substrat (3) verbindet.
2. Verfahren (V) nach Anspruch 1 , wobei das Bauteil (5) und das Substrat (3) durch Sintern der Bindungsstelle (4) aus dem elektrisch leitfähigen Material miteinander gefügt werden.
3. Verfahren (V) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der metallische Werkstoff und/oder das elektrisch leitfähige Material aus Silber, Gold, Kupfer oder einer Legierung davon hergestellt ist.
4. Verfahren (V) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der metallische Werkstoff und das elektrisch leitfähige Material im Wesentlichen identisch sind, und wobei sich Prozessparameter beim Beschichten (V2) mittels des generativen Fertigungsverfahrens von den Prozessparametern beim Erzeugen (V3) der Bindungsstelle (4) mittels des generativen Fertigungsverfahrens derart unterscheiden, dass beim Erzeugen (V3) der Bindungsstelle (4) aus dem elektrisch leitfähigen Material eine geringere Porosität des metallischen Werkstoffs entsteht als beim Beschichten (V2).
5. Verfahren (V) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine von dem Substrat (3) abgewandte Seite der Bindungsstelle (4) eine offenporige Struktur aufweist, wobei die Porengröße/Strukturgröße der offenporigen Struktur vorzugsweise einen Bereich von etwa 5 pm bis etwa 100 pm, insbesondere einen Bereich von etwa 10 pm bis etwa 50 pm, aufweist.
6. Verfahren (V) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Erzeugen (V3) der Bindungsstelle (4) Prozessparamter, insbesondere eine Energiedichte einer Strahlungsenergie (10), des generativen Fertigungsverfahrens derart an die Zusammensetzung und/oder die Partikelgröße des elektrisch leitfähigen Materials angepasst werden, dass eine Porosität der Bindungsstelle (4) höchstens 50 %, vorzugsweise höchstens 40 %, insbesondere höchstens 30 %, und mindestens 10 % beträgt
7. Verfahren (V) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das generative Fertigungsverfahren als selektives Laserschmelzverfahren (SLM) oder als powder bed fusion - laser beam-Verfahren (PBF-LB) angewendet wird, wobei eine dem Substrat (3) zugewandte Seite der Bindungsstelle (4) beim Erzeugen (V3) der Bindungsstelle (4) mit der Beschichtung des Substrats (3) verschweißt wird.
8. Verfahren (V) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das generative Fertigungsverfahren als Inkjetverfahren angewendet wird, wobei das elektrisch leitfähige Material als elektrisch leitfähige Metall-Duroplast- Zusammensetzung ausgebildet ist.
9. Verfahren (V) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beschichten (V2) des zumindest einen Bereichs der Oberfläche (2) des Substrats (3) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens bewirkt wird.
10. Fertigungsvorrichtung (1) zur Herstellung einer stoffschlüssigen, elektrisch leitfähigen Schnittstelle für eine Verbindung von elektronischen Bauteilen, insbesondere für eine Halbleiteranbindung, welche ausgebildet ist, ein Verfahren (V) nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
11. Baugruppe umfassend ein Substrat (3) und ein elektronisches Bauteil (5), wobei eine Oberfläche (2) des Substrats (3) über eine generativ hergestellte Bindungsstelle (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit dem elektronischen Bauteil (5) stoffschlüssig verbunden ist.
12. Baugruppe nach Anspruch 11 , wobei zumindest eine von dem Substrat (3) abgewandte Seite der Bindungsstelle (4) eine offenporige Struktur aufweist.
13. Baugruppe nach Anspruch 12, wobei die Porengröße/Strukturgröße der offenporigen Struktur einen Bereich von etwa 5 pm bis etwa 100 pm, insbesondere einen Bereich von etwa 10 pm bis etwa 50 pm, aufweist.
14. Baugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei zumindest ein Bereich der Oberfläche (2) des Substrats (3) zwischen der Oberfläche (2) und der Bindungsstelle (4) mit einem metallischen Werkstoff beschichtet ist, wobei die Bindungsstelle (4) eine geringere Porosität aufweist als der beschichtete, metallische Werkstoff.
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