ES2833274T3 - Materiales de sinterización y métodos de fijación mediante el uso de los mismos - Google Patents

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Michael Marczi
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Abstract

Una película de sinterización para la fijación de componentes en un proceso de ensamblaje de sinterización, la película de sinterización que comprende una capa de una composición que comprende: un polvo metálico que tiene un rango d50 de 0,001 a 10 micrómetros, el polvo metálico que comprende del 30 al 95 % en peso de la composición; un aglutinante que tiene un punto de ablandamiento entre 50 y 170 °C, el aglutinante que comprende de 0,1 a 5 % en peso de la composición; y un solvente en una cantidad suficiente para disolver al menos el aglutinante, la capa de composición que tiene un grosor en seco de 5 a 300 micras, en donde la capa de composición está sobre un sustrato polimérico que comprende un recubrimiento de liberación.

Description

DESCRIPCIÓN
Materiales de sinterización y métodos de fijación mediante el uso de los mismos
Campo de la tecnología
Uno o más aspectos se refieren generalmente a métodos para la fijación de varios componentes, y más específicamente a materiales y técnicas de sinterización usados para dicha fijación.
Antecedentes de la Invención
La sinterización ha surgido como una tecnología alternativa a la soldadura convencional. La sinterización típicamente implica un procesamiento a alta temperatura y alta presión para fijar varios componentes de un conjunto.
El documento KR 2008/0112624 se refiere a un método para formar el patrón fino para el filtro de protección EMI.
Choi YS y otros describe una composición de pasta conductora para formar un electrodo usado en una pantalla de plasma, que comprende nanopartículas conductoras y solventes, agente dispersante, aglutinante y monómero reactivo en cantidades de un rango específico en WPI/THOMSON, volumen 2009, no.26.
El documento EP1586604 se refiere a un proceso para producir una pasta de plata conductora y una película conductora.
El documento US 2009/162557 se refiere a pasta de metal a nanoescala para interconexión y método de uso.
Breve resumen de la invención
La presente invención proporciona una película de sinterización de acuerdo con la reivindicación 1. En algunas modalidades, el polvo metálico puede comprender oro, paladio, plata, cobre, aluminio, aleación de plata y paladio o aleación de oro y paladio. El polvo metálico puede comprender partículas de plata. En al menos algunas modalidades, el polvo metálico puede comprender nanopartículas. El polvo metálico puede comprender partículas metálicas revestidas. En algunas modalidades, la composición puede incluir además uno o más aditivos funcionales.
La película de sinterización comprende una capa de una composición que comprende un polvo metálico que tiene un rango d50 de 0,001 a 10 micrómetros, el polvo metálico comprende del 30 al 95% en peso de la composición, un aglutinante que tiene un punto de ablandamiento entre 50 y 170 °C, el aglutinante comprende del 0,1 al 5% en peso de la composición y un solvente en una cantidad suficiente para disolver al menos el aglutinante. La capa de composición tiene un grosor en seco de 5 a 300 micras.
La capa de composición está sobre un sustrato polimérico. Un sustrato polimérico puede comprender poliéster. El sustrato polimérico comprende un recubrimiento de liberación.
Se describe en la presente descripción un método para producir una película de partículas metálicas que puede incluir la aplicación de un material que comprende polvo metálico que tiene un rango d50 de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 10 micrómetros sobre un sustrato, y que seca el material sobre el sustrato para formar la película.
El sustrato es un sustrato polimérico. La etapa de aplicar el material puede comprender imprimir o moldear el material. En al menos algunas modalidades, el material se puede imprimir en una capa continua. En otras modalidades, el material puede imprimirse para formar una serie de formas discretas. En algunas modalidades, el método puede comprender además preparar el material.
En un ejemplo de referencia, un proceso de laminación para aplicar una capa de partículas metálicas a un componente puede incluir colocar el componente en una película que comprende la capa de partículas metálicas sobre un sustrato polimérico para formar un conjunto, aplicar calor al conjunto en un rango de aproximadamente 50 a aproximadamente 175 °C, aplicar presión al conjunto en un rango de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 3 MPa, y liberar el componente del conjunto, de manera que la capa de partículas metálicas permanece sobre el componente y se separa del sustrato polimérico. En algunas modalidades, la película puede tener sustancialmente el mismo tamaño que el componente.
En un ejemplo de referencia, un método de fijación puede incluir aplicar una película de partículas metálicas a un sustrato, colocar una matriz sobre la película para formar un conjunto, aplicar una presión de menos de aproximadamente 40 MPa al conjunto y sinterizar el conjunto en una temperatura de aproximadamente 175 a aproximadamente 400 °C durante aproximadamente 0,25 segundos a aproximadamente 30 minutos.
Puede aplicarse una presión de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 20 MPa. En al menos algunas modalidades, se puede aplicar una presión de aproximadamente 2,0 a aproximadamente 10 MPa.
En un ejemplo de referencia, un método de fijación puede comprender aplicar una película de partículas metálicas en el lado posterior de una oblea, cortar la oblea para formar una pluralidad de matrices, colocar al menos una matriz sobre un sustrato para formar un conjunto, aplicar una presión de menos de aproximadamente 40 MPa al conjunto, y sinterizar el conjunto a una temperatura de aproximadamente 175 a aproximadamente 400 °C durante aproximadamente 0,25 segundos a aproximadamente 30 minutos. Puede aplicarse una presión de aproximadamente 2,0 a aproximadamente 10 MPa.
En un ejemplo de referencia, un método de fijación puede comprender aplicar una película de partículas metálicas en el lado posterior de una matriz, colocar la matriz sobre un sustrato para formar un conjunto, aplicar una presión de menos de aproximadamente 40 MPa al conjunto, y sinterizar el conjunto a una temperatura de aproximadamente 175 a aproximadamente 400 °C durante aproximadamente 0,25 segundos a aproximadamente 30 minutos. Puede aplicarse una presión de aproximadamente 2,0 a aproximadamente 10 MPa.
Aún otros aspectos, modalidades y ventajas de estos aspectos y realizaciones ilustrativas se tratan en detalle a continuación. Las modalidades descritas en la presente descripción pueden combinarse con otras modalidades de cualquier manera compatible con al menos uno de los principios descritos en la presente descripción, y las referencias a "una modalidad", "algunas modalidades", "una modalidad alternativa", "varias modalidades", "una modalidad" o similares no son necesariamente excluyentes entre sí y están destinados a indicar que un elemento, estructura o característica particular descritos puede incluirse en al menos una modalidad. Las apariciones de tales términos en la presente descripción no se refieren necesariamente a la misma modalidad.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se tratan varios aspectos de al menos una modalidad con referencia a las figuras adjuntas, que no están destinadas a dibujarse a escala. Las figuras se incluyen para proporcionar una ilustración y una mayor comprensión de los diversos aspectos y modalidades, y se incorporan y constituyen una parte de esta descripción, pero no pretenden ser una definición de los límites de la invención. Cuando las características técnicas de las figuras, la descripción detallada o cualquier reivindicación vayan seguidas de signos de referencia, los signos de referencia se han incluido con el único propósito de aumentar la inteligibilidad de las figuras y la descripción. En las figuras, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en varias figuras está representado por un número similar. Para propósitos de claridad, no todos los componentes se etiquetan en todas las figuras. En las figuras:
Las Figuras de la 1A a la 1D ilustran ejemplos no limitantes de una formulación aplicada a un sustrato de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 2 ilustra un proceso de estampación de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 3 ilustra un soporte de estampación de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 4 ilustra ejemplos de láminas de estampación de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 5 ilustra un proceso de laminación con matriz de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 6 presenta un esquema de un método de fijación con matriz de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia; Las Figuras 7A y 7B ilustran ejemplos no limitantes de técnicas de deposición de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 8 ilustra un proceso de impresión en el lado posterior de una matriz de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 9 ilustra un ejemplo de una matriz fijada por el proceso de la figura 8 de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 10 ilustra una vista en sección transversal de la fijación de la figura 9 de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
La Figura 11 ilustra un proceso para transferir una película de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia;
Las Figuras de la 12A a la 12C presentan ejemplos de películas, de acuerdo con una o más modalidades;
La Figura 13 ilustra un marco de plomo impreso con pasta de nanoplata de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia tratados en el Ejemplo 1;
La Figura 14 presenta un esquema de un perfil de temperatura del proceso de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia comentados en el Ejemplo 1;
La Figura 15 ilustra un marco de plomo con matrices fijadas de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia comentados en el Ejemplo 1;
La Figura 16 ilustra una sección transversal de una unión de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia tratados en el Ejemplo 1;
La Figura 17 ilustra datos de imágenes de microscopio acústico de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia tratados en el Ejemplo 1;
Las Figuras 18 y 19 ilustran la matriz fijada mediante procesos de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia tratados en el Ejemplo 2;
Las Figuras de la 20A a la 20C ilustran un proceso de laminación de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia tratados en el Ejemplo 3;
La Figura 21 ilustra los datos de la prueba de cizallamiento de la matriz de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia como se trató en el Ejemplo 4;
Las Figuras 22A y 22B presentan datos de acuerdo con una o más modalidades tratadas en el Ejemplo 6; y
Las Figuras 23A y 23B presentan datos de acuerdo con una o más modalidades tratadas en el Ejemplo 6.
Descripción detallada de la invención
En un ejemplo de referencia, un primer componente puede fijarse con seguridad a un segundo componente. Los ejemplos de referencia pueden implicar la sinterización a una presión relativamente baja y una temperatura relativamente baja en comparación con los procesos de sinterización convencionales mientras se logran sustancialmente los mismos resultados. Se pueden fijar componentes electrónicos. Se pueden fijar componentes no electrónicos. Se pueden proporcionar uniones de alta conductividad térmica y eléctrica con alta confiabilidad y grosor de línea de unión flexible. Uno o más ejemplos de referencia pueden promover un grosor de línea de unión sustancialmente uniforme después de la sinterización. Las propiedades de porosidad, térmicas y mecánicas también pueden ser sustancialmente uniformes. En algunas modalidades no limitantes, se puede lograr una línea de unión que tenga un grosor en un rango de aproximadamente 2 micras a aproximadamente 100 micras. Se puede lograr el control y la uniformidad del grosor de la línea de unión en áreas grandes y pequeñas. En algunos ejemplos de referencia, la pérdida de material durante el procesamiento puede reducirse, lo que puede dar como resultado un ahorro total de costes de al menos aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 20 % en comparación con los procesos de fijación convencionales. Los ejemplos de referencia también pueden estar asociados con costos de capital más bajos. Los residuos orgánicos también se pueden reducir de manera beneficiosa, de manera que tal vez no sea necesario realizar una limpieza posterior. En algunos ejemplos de referencia, las uniones sin plomo se forman sin intermetálicos. La facilidad de procesamiento también puede reconocerse de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia que permiten procesos de fabricación de alto rendimiento y alta productividad. Se pueden habilitar varios procesos para la aplicación de presión y calor. Los materiales y técnicas de sinterización de acuerdo con una o más modalidades pueden encontrar aplicabilidad en una variedad de industrias que incluyen vehículos eléctricos híbridos, generación de energía eólica y solar, incluidas células fotovoltaicas, transporte, aplicaciones industriales, electrónica de consumo y telecomunicaciones.
En un ejemplo de referencia, se puede usar un material de sinterización para facilitar la fijación de varios componentes. El material de sinterización se puede usar en una variedad de formas. En algunos ejemplos de referencia, un material de sinterización se puede usar directamente, por ejemplo, como tinta o pasta. En otros ejemplos de referencia, se puede usar un material de sinterización para la formación de una película de sinterización. Puede utilizarse una película de sinterización en lugar de una pasta de sinterización convencional. En algunas modalidades, se puede producir una película de sinterización mediante la aplicación de una formulación de sinterización fluida a un sustrato y luego el secado de la formulación sobre el sustrato. La película se puede transferir posteriormente mediante un proceso de laminación para facilitar la fijación de los componentes.
En un ejemplo de referencia, un material de sinterización para usar en cualquier forma puede incluir generalmente un polvo metálico, un aglutinante y un solvente. Se pueden usar varios metales en dependencia de la aplicación prevista. Las propiedades de uno o más componentes que se fijarán, o una o más condiciones del proceso asociadas con un proceso de fijación implementado, como la temperatura y la presión, pueden afectar la selección del polvo metáli la formulación. La plata, el oro, el cobre, el paladio y el aluminio son algunos ejemplos no limitantes de polvos metálicos que pueden utilizarse. En algunas modalidades, también se pueden usar mezclas de metales tales como aleación de plata y paladio y aleación de oro y paladio. En algunas modalidades, se pueden usar metales, aleaciones o mezclas de metales y aleaciones.
De acuerdo con una o más modalidades, el tamaño de partícula del polvo metálico puede variar basado en las características deseadas de la formulación para una aplicación prevista. En algunas modalidades no de acuerdo con la presente invención, se puede usar el polvo metálico con un rango dso de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 100 micrómetros. En la presente invención, se usa el polvo metálico con un rango d50 de 0,001 a 10 micrómetros. En una o más modalidades, se puede usar el polvo metálico con un rango d50 de 0,001 a aproximadamente 0,01 micrómetros. En algunas modalidades, el tamaño de partícula del polvo metálico puede estar en nanoescala. En algunas modalidades, el tamaño de partícula puede ser de aproximadamente 10 a aproximadamente 100 nanómetros. En otras modalidades más, el tamaño de partícula puede ser de aproximadamente 10 a aproximadamente 60 nanómetros. En al menos una modalidad no limitante, el tamaño de partícula puede ser de aproximadamente 20 nanómetros. En algunas modalidades no limitantes, pueden usarse partículas de nanoplata.
En ciertas modalidades, las partículas se pueden diseñar altamente. En algunas modalidades, las partículas del polvo metálico se pueden recubrir o tapar. Algunos ejemplos no limitantes de recubrimientos incluyen ácidos grasos, aminas grasas y almidón. La cantidad de recubrimiento puede constituir aproximadamente de 0,1 a aproximadamente 20 por ciento en peso de la formulación. En algunas modalidades, el recubrimiento puede constituir preferentemente menos de aproximadamente 1 por ciento en peso de la formulación. En al menos algunas modalidades no limitantes, el recubrimiento puede constituir de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 0,8 por ciento en peso de la formulación. En otras modalidades, las partículas del polvo metálico pueden estar sin revestir o sin tapar. Las partículas metálicas para el polvo metálico se pueden formar mediante diversas técnicas. En al menos una modalidad no limitante, el polvo metálico para usar en la formulación se puede producir como se describe en la Patente de Estados Unidos núm. 7,968,008 de Parashar y otros. El polvo metálico constituye del 30 al 95 por ciento en peso de la composición. En al menos una modalidad específica, el polvo metálico puede constituir aproximadamente el 80 por ciento en peso de la composición.
De acuerdo con una o más modalidades, un aglutinante puede proporcionar resistencia y flexibilidad a la película después del secado. El aglutinante también puede proporcionar adhesión de la formulación a un sustrato sobre el que se deposita para facilitar la formación de la película. El aglutinante también puede proporcionar adhesión de una película a un sustrato al que se transfiere mediante un proceso de laminación. En algunas modalidades, se pueden usar varias resinas o colofonias para el aglutinante. Las condiciones y parámetros asociados con los procesos de laminación y fijación que se usarán pueden afectar la selección del aglutinante. El aglutinante tiene un punto de ablandamiento entre 50 °C y 170 °C. En una modalidad no limitante, se puede usar un aglutinante con un punto de ablandamiento de aproximadamente 90 °C, tal como el éster de colofonia parcialmente hidrogenado Foralyn ™ E comercializado por Eastman. En al menos una modalidad, el aglutinante puede constituir aproximadamente de 0,5 al 5 por ciento en peso de la composición.
De acuerdo con una o más modalidades, la formulación también puede incluir uno o más aditivos funcionales. Los aditivos generalmente pueden mejorar la adhesión a un sustrato y el comportamiento de sinterización del material. Los ejemplos no limitantes de aditivos incluyen ácidos orgánicos, aminas, dioles clorados o bromados o compuestos metalorgánicos, tales como compuestos metalorgánicos de plata. Otros se pueden conocer comúnmente por los expertos en la técnica. En algunas modalidades no limitantes, los aditivos funcionales pueden constituir de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 2 por ciento en peso de la formulación.
De acuerdo con una o más modalidades, se pueden usar varios solventes para disolver el aglutinante y cualquier aditivo presente en la formulación. Se pueden usar varios solventes tales como, pero sin limitarse a alcoholes, dioles, glicoles o sus combinaciones. En algunas modalidades, el terpineol puede ser un solvente preferido. En otras modalidades no limitantes, se puede usar una mezcla de terpineol y butil carbitol. En otras modalidades no limitantes más, se puede usar una mezcla de terpineol, butil carbitol e isopropanol. La cantidad de solvente presente puede variar en dependencia de las propiedades deseadas, como la viscosidad, de la formulación resultante. La viscosidad deseada puede depender del uso que se pretende, tal como una técnica de deposición seleccionada. Por ejemplo, un método de impresión puede requerir una viscosidad más baja de manera que la formulación pueda mostrar una o más características típicas de una tinta. La pulverización también puede asociarse con una viscosidad más baja. Otras técnicas de deposición, como el encasillado, pueden asociarse generalmente con formulaciones de mayor viscosidad. En algunas modalidades, las formulaciones de mayor viscosidad pueden mostrar una o más características típicas de una pasta. En las modalidades en las que es deseable formar una película de sinterización a partir de la formulación, la viscosidad se puede ajustar en consecuencia para facilitar ese proceso. La carga del polvo metálico, aglutinante y/o aditivos con respecto al sistema solvente puede generalmente ajustarse para manipular la viscosidad u otra característica física. En algunas modalidades no limitantes, la viscosidad de la formulación puede estar en un rango de aproximadamente 10 a aproximadamente 200 000 cP. En al menos una modalidad no limitante específica, la viscosidad puede ser de aproximadamente 800 cP a 25 °C.
De acuerdo con una o más modalidades, la formulación se puede preparar mediante la mezcla de los componentes. Se pueden implementar varios dispositivos y técnicas de mezcla conocidos por los expertos en la técnica, tales como un mezclador planetario, un mezclador orbital o un mezclador ultrasónico. La trituración también se puede realizar en algunas modalidades, por ejemplo, para asegurar una textura deseada. En algunas modalidades, la formulación puede usarse directamente en un proceso de sinterización. Por ejemplo, la formulación se puede aplicar directamente a un componente. En otras modalidades, la formulación puede ser un precursor de una película de sinterización. Se puede usar una película como sustituto de una pasta en un proceso de ensamblaje de sinterización.
De acuerdo con una o más modalidades, la formulación puede aplicarse a una capa de respaldo o sustrato y luego secarse para formar una película. Generalmente, el sustrato debe proporcionar una adhesión y un soporte adecuados a una película seca para un manejo fácil y confiable. El sustrato puede ser rígido o flexible. El grosor del sustrato puede variar. En algunas modalidades no limitantes, el sustrato puede tener un grosor entre aproximadamente 35 micras y aproximadamente 75 micras. El sustrato también debería liberar la película fácilmente, como durante un proceso de laminación. Generalmente, el sustrato no debe verse afectado por los solventes en la formulación y debe ser estable al secado de la película y las temperaturas de laminación posteriores. En la presente invención, el sustrato es un sustrato polimérico. En al menos una modalidad no limitante, el sustrato puede ser un sustrato de poliéster. En otros ejemplos de referencia, se puede usar un sustrato de vidrio, metal, papel o cerámica. En la presente invención, el sustrato comprende un recubrimiento de liberación. En algunos ejemplos de referencia, se pueden usar materiales como silicio o aluminio como sustrato o, en algunas modalidades, un recubrimiento de sustrato. En al menos una modalidad no limitante, el sustrato puede ser una película de poliéster con un recubrimiento de liberación de silicio comercializado por Saint-Gobain. En algunas modalidades, el sustrato se puede destinar a facilitar la distribución de cinta y carrete durante una operación de ensamblaje.
De acuerdo con una o más modalidades, la formulación se puede aplicar al sustrato para la formación de la película mediante el uso de diversas técnicas conocidas por los expertos en la técnica. En algunas modalidades, se puede usar una técnica de impresión. Los ejemplos no limitantes de técnicas de impresión incluyen inyección de tinta, tampografía, serigrafía, estarcido, grabado, huecograbado e impresión offset. Otros métodos de deposición pueden incluir técnicas de refundición y pulverización. Como se trató anteriormente, una o más propiedades físicas de la formulación se pueden ajustar en base a una técnica de deposición prevista. La deposición de la formulación puede ser continua sobre sustancialmente toda la superficie del sustrato o puede tener formas discontinuas con respecto a la superficie del sustrato. En algunas modalidades no limitantes, la formulación se puede aplicar sobre el sustrato en formas y/o tamaños correspondientes a las dimensiones de un componente, tal como una matriz, que se fijará mediante el uso de la película resultante. Se puede implementar cualquier geometría y cualquier dimensión. Algunas modalidades no limitantes de la formulación aplicada a un sustrato se ilustran en las figuras de la 1A a la 1D. En algunas modalidades no limitantes, se pueden depositar rondas con un diámetro de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 500 milímetros. En otras modalidades no limitantes, pueden depositarse sobre el sustrato rectángulos que tengan una longitud o anchura de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 500 milímetros. En al menos algunas modalidades, la formulación se puede aplicar si se sigue un patrón sobre el sustrato. En algunas modalidades no limitantes, las formas y tamaños aplicados a un sustrato pueden destinarse a facilitar la distribución de cinta y carrete durante una operación de ensamblaje.
Después de la deposición, la formulación aplicada se puede secar sobre el sustrato, tal como en un horno continuo o por tandas. En algunas modalidades no limitantes, la formulación depositada se puede secar a una temperatura de aproximadamente 130 °C durante aproximadamente 30 minutos. El grosor en seco de las películas resultantes puede variar en dependencia de la técnica de deposición y la aplicación prevista. El grosor en seco puede ser de aproximadamente 5 a aproximadamente 1000 micras de acuerdo con una o más modalidades no limitantes. En la presente invención, la capa de la composición tiene un grosor en seco de 5 a 300 micras. En algunas modalidades, las películas pueden ser independientes. Por ejemplo, las películas que tienen un grosor en seco de aproximadamente 100 a 300 micras pueden retirarse del sustrato y usarse como películas independientes para su laminación y fijación posteriores de acuerdo con una o más modalidades. En otras modalidades, y en el caso de películas relativamente más delgadas, el sustrato puede permanecer intacto con respecto a la película hasta que se retire durante un proceso de laminación.
De acuerdo con una o más modalidades, se puede usar una película como sustituto de una pasta en un proceso de ensamblaje de sinterización. En algunas modalidades, el uso de una película puede permitir diferentes procesos para aplicar calor y presión en un proceso de ensamblaje, como en un proceso de sinterización. En al menos algunas modalidades, el uso de una película puede retirar al menos una etapa del proceso en una operación de ensamblaje. Como se describe a continuación, se puede aplicar una película de sinterización a un lado de trabajo o en un lado del sustrato para facilitar el ensamblaje. Con respecto al lado de trabajo, se puede laminar una oblea y luego cortarla para formar una pluralidad de matrices laminadas de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia. En otros ejemplos de referencia, una oblea se puede cortar primero seguido de la laminación de una matriz individual.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, una primera etapa en un proceso de fijación puede ser la laminación de una película a un componente o un sustrato. Durante la laminación, se puede aplicar una película de sinterización a una matriz, dispositivo, oblea, sustrato, cobre de unión directa (DBC), marco de plomo, disco de metal u otro elemento. Posteriormente, se puede fijar un componente laminado a un sustrato. Un sustrato laminado puede recibir posteriormente uno o más componentes. Se puede adherir una película a una capa de respaldo como se describió anteriormente con respecto a la formación de la película para facilitar la laminación. La película puede ser una película de manta mucho más grande en dimensiones en comparación con el elemento que se lamina. La película se puede modelar generalmente para que sea sustancialmente del mismo tamaño o más pequeña que el elemento que se lamina. La película puede contener uno o más depósitos ubicados en un patrón específico para su uso en una aplicación específica que luego se transfiere mediante laminación. La laminación generalmente se puede realizar mediante un proceso de transferencia o estampado. Generalmente se desea evitar la sinterización de la película durante la laminación.
En un método de transferencia, se puede laminar una película a un sustrato que posteriormente recibirá uno o más componentes. Durante un método de transferencia, se puede colocar una película sobre un sustrato, por ejemplo, un sustrato de cobre de unión directa (DBC), sustrato de oblea de silicio, disipador de calor o sustrato piezoeléctrico. La película se puede prensar mediante el uso de un rodillo u otro equipo apropiado, como una laminadora de prensa, para formar un conjunto. A continuación, se puede aplicar calor y presión. Se pueden aplicar calor y presión de forma simultánea o secuencial. En algunos ejemplos de referencia, el conjunto se puede someter a una temperatura de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 175 °C. En al menos un ejemplo de referencia, se puede usar una temperatura de aproximadamente 130 °C. El calor se puede aplicar mediante el uso de varias técnicas conocidas que incluyen infrarrojos, inducción, conducción, convección, radiación y ultrasonidos. En algunos ejemplos de referencia, se puede usar una herramienta de colocación caliente o una placa caliente. En algunos ejemplos de referencia, el conjunto puede someterse a una presión de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 3 MPa. En al menos una modalidad, se puede usar una presión de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 1 MPa. El calor y la presión se pueden aplicar generalmente durante un período de tiempo relativamente corto, como menos de aproximadamente un minuto. En algunos ejemplos de referencia, se pueden aplicar calor y presión durante aproximadamente 10 a aproximadamente 60 segundos.
En un método de estampado, se puede aplicar una película a un componente, como una oblea o una matriz de varios tamaños. En la figura 2 se ilustra un proceso de estampado. Se pueden utilizar equipos conocidos por los expertos en la técnica, como una máquina troqueladora, para facilitar la laminación. En al menos algunos ejemplos de referencia, la película se puede fijar a la parte trasera del componente. A continuación, se puede aplicar calor y presión en los rangos indicados anteriormente durante un período de tiempo relativamente corto. En un ejemplo de referencia, las placas primera y segunda se pueden calentar hasta aproximadamente 130 °C. Puede aplicarse una presión de aproximadamente 1 MPa. El tamaño de la matriz puede afectar la fuerza deseada aplicada. El tiempo de permanencia puede depender de la duración necesaria para calentar el conjunto en general. En algunos ejemplos de referencia, el tiempo de permanencia puede ser de aproximadamente 3 minutos. En algunos ejemplos de referencia, el tiempo de permanencia puede ser de aproximadamente 20 a aproximadamente 100 milisegundos.
Se puede usar un soporte para facilitar la laminación durante un proceso de estampado. Se pueden usar almohadillas de goma, láminas grabadas, estructuras con cavidades u otros materiales como soporte. En algunos ejemplos de referencia, la estructura de soporte puede crear una acción de corte para estampar una porción de la película de la capa de respaldo. En algunos ejemplos de referencia, se puede utilizar una hoja de acero inoxidable grabada con cavidad como soporte de estampado. La hoja puede tener cualquier grosor deseado y cualquier espacio deseado entre las cavidades que puede asegurar una buena repetitividad y resistencia de la película restante. La figura 3 presenta el concepto del soporte de estampado mediante el uso de una lámina de estampado como ejemplo. La figura 4 presenta ejemplos de láminas que tienen cavidades espaciadas de 1 mm y 2 mm, respectivamente. En otros ejemplos de referencia, se puede usar una almohadilla de goma, como una almohadilla de caucho de silicio, como soporte de estampado. El grosor de la almohadilla puede variar y en algunos ejemplos de referencia puede ser de aproximadamente 3 mm de grueso. En otros ejemplos de referencia más, se puede usar un sustrato duro como epoxi o plástico o placa de metal como soporte. El soporte también puede funcionar para proteger el conjunto y/o evitar la adherencia al equipo durante el procesamiento. La herramienta óptima puede depender del área de la matriz y otros factores. Por ejemplo, un soporte de goma o papel de aluminio puede ser mejor para una aplicación que para otra. Se puede usar un sistema para sujetar la película durante el estampado para facilitar la operación y puede ayudar a proteger la película durante la operación.
En la figura 5 se ilustra un ejemplo no limitante de un proceso de estampación para laminación de matrices mediante el uso de una fijadora de matrices Datacon 2200 EVO. La fijadora recoge la matriz del soporte de la matriz o de la cinta de corte. La herramienta de sujeción de matrices se calienta a aproximadamente 130 °C. A continuación, se coloca la matriz sobre una película de plata con una fuerza de aproximadamente 50 N. Como resultado, una porción de la película que tiene dimensiones sustancialmente iguales a las de la matriz se lamina en el lado posterior de la matriz. A continuación, las matrices laminadas se recogen en un paquete de obleas para su posterior fijación, por ejemplo, mediante sinterización, a un sustrato DBC o marco de plomo.
En algunos ejemplos de referencia, se puede hornear un componente laminado para completar el proceso de laminación. En algunos ejemplos de referencia, un componente laminado se puede hornear durante aproximadamente una hora a aproximadamente 130 °C. Una vez completado el proceso de laminación, por ejemplo el proceso de transferencia o estampado, se puede retirar la capa de respaldo a la que se adhirió la película. El sustrato o componente laminado puede incluir ahora una película depositada de partículas metálicas. En algunos ejemplos de referencia, la película puede ser una película de partículas de nanometales. En al menos un ejemplo de referencia, la película puede ser una película de partículas de nanoplata. Como se indicó anteriormente, la capa de respaldo se puede retirar alternativamente para producir una película independiente antes de la laminación de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, tales como los que involucran una película relativamente más gruesa.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, se puede depositar una capa de material de sinterización, tal como una película o pasta, en un lado de la matriz. En otros ejemplos de referencia, se puede depositar una capa de material de sinterización en un lado del sustrato. En algunas modalidades no limitantes, la película o pasta de sinterización puede incluir partículas de plata, tales como nanopartículas de plata. Un material de nanoplata, por ejemplo, puede comenzar a sinterizarse a temperaturas superiores a aproximadamente 130 °C. Un material de sinterización puede funcionar para crear una unión altamente confiable, por ejemplo, entre un sustrato y un elemento como una matriz, dispositivo u otro objeto. La presión puede aplicarse simultáneamente con calor o antes de calentar a la temperatura de sinterización. Si se aplica presión después del calentamiento, se pueden perder uno o más beneficios del material de sinterización, por ejemplo, sinterización a baja presión, tiempos de sinterización rápidos o la capacidad de formar una unión confiable. En al menos algunos ejemplos de referencia, para dispositivos de chips múltiples, la colocación y sinterización del chip se pueden realizar en dos etapas de proceso diferentes. La aplicación del material de sinterización al sustrato puede imponer limitaciones en el proceso para paquetes de una sola matriz y paquetes de múltiples chips. Por ejemplo, el sustrato debe mantenerse por debajo de la temperatura de sinterización antes de aplicar presión y calor. Puede desearse un calentamiento rápido del sustrato para una producción a alta velocidad. Si se tiene en cuenta que el sustrato puede ser típicamente la masa térmica más grande, esto puede ralentizar el tiempo del ciclo del proceso. De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, la aplicación del material de sinterización al lado de la matriz del conjunto puede permitir que el sustrato se caliente a temperaturas de sinterización y puede reducir los tiempos de ciclo del proceso. La colocación y la sinterización se pueden realizar en una etapa del proceso mientras el sustrato está a temperaturas de sinterización. Los componentes electrónicos y no electrónicos se pueden fijar de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, un componente laminado puede fijarse o unirse a un sustrato. El componente laminado puede ser, por ejemplo, una matriz, dispositivo, oblea u otro elemento. El sustrato puede ser, por ejemplo, un DBC, marco de plomo, disco de metal u otro elemento. Durante la unión, el componente laminado puede generalmente ponerse en contacto con el sustrato para formar un conjunto. Se puede aplicar calor y presión al conjunto durante un tiempo suficiente para formar una unión entre el componente y el sustrato. La unión debe tener generalmente una o más características deseadas tales como las relacionadas con la resistencia, uniformidad y grosor de la línea de unión. En algunos ejemplos de referencia, el calor y la presión aplicados se pueden mantener durante aproximadamente 0,25 segundos a aproximadamente 30 minutos. En algunos ejemplos de referencia, dichas duraciones pueden estar asociadas con la duración del proceso o ciclo más de cuatro veces más rápidos que los procesos de sinterización convencionales. Se puede aplicar una presión entre aproximadamente 0,5 MPa y 20 MPa en uno o más ejemplos de referencia. En algunos ejemplos de referencia, se puede usar una presión de sinterización de aproximadamente 5 a aproximadamente 10 MPa. Dichas presiones pueden ser hasta 25 veces menores que las técnicas de sinterización convencionales y pueden disminuir de manera beneficiosa la tensión en los componentes, sustratos y equipos del proceso. Se puede aplicar una temperatura de entre aproximadamente 175 °C y 400 °C en uno o más ejemplos de referencia. En algunos ejemplos de referencia, puede usarse una temperatura de sinterización de aproximadamente 230 °C a aproximadamente 260 °C. En algunos ejemplos de referencia, el calor se puede aplicar al calentar una herramienta de colocación, un peso, un resorte o una masa usada para colocar, sostener o colocar y sostener el componente. En otras modalidades, se puede aplicar calor a través de un horno continuo o por tandas, o al calentar una placa ubicada debajo del sustrato o encima del componente. En algunas modalidades, se pueden calentar tanto la herramienta de colocación como una placa o varios placas situadas encima y/o debajo del conjunto. El calor se puede aplicar mediante infrarrojos, inducción, conducción, convección, radiación, ultrasonidos u otra técnica. Se pueden unir múltiples componentes laminados a un solo sustrato o múltiples sustratos en un método en serie o en paralelo. En al menos un ejemplo de referencia, la sinterización se puede realizar a una temperatura de aproximadamente 200 °C durante aproximadamente 15 minutos.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, un componente puede unirse o fijarse a un sustrato laminado. El componente puede ser, por ejemplo, una matriz, dispositivo, oblea u otro elemento. El sustrato laminado puede ser, por ejemplo, un DBC, un marco de plomo, un disco metálico u otro elemento. Durante la unión, el componente generalmente se puede poner en contacto con el sustrato laminado para formar un conjunto. Se puede aplicar calor y presión al conjunto durante un tiempo suficiente para formar una unión entre el componente y el sustrato. La unión debe tener generalmente una o más características deseadas tales como las relacionadas con la resistencia, uniformidad y grosor de la línea de unión. En algunos ejemplos de referencia, el calor y la presión aplicados se pueden mantener durante aproximadamente 0,25 segundos a aproximadamente 30 minutos. Se puede aplicar una presión entre aproximadamente 0,5 MPa y 20 MPa en uno o más ejemplos de referencia. En algunos ejemplos de referencia, se puede usar una presión de sinterización de aproximadamente 5 a aproximadamente 10 MPa. Dichas presiones pueden ser hasta 25 veces menores que las técnicas de sinterización convencionales y pueden disminuir de manera beneficiosa la tensión en los componentes, sustratos y equipos del proceso. Puede aplicarse una temperatura de sinterización de entre aproximadamente 175 °C y 400 °C en uno o más ejemplos de referencia. En algunos ejemplos de referencia, puede usarse una temperatura de sinterización de aproximadamente 230 °C a aproximadamente 260 °C. En algunos ejemplos de referencia, el calor se puede aplicar al calentar una herramienta de colocación, un peso, un resorte o una masa usada para colocar, sostener o colocar y sostener el componente. En otros ejemplos de referencia, se puede aplicar calor a través de un horno continuo o por tandas, o al calentar una placa ubicada debajo del sustrato o encima del componente. En algunos ejemplos de referencia, se pueden calentar tanto la herramienta de colocación como una placa o varias placas situadas encima y/o debajo del conjunto. El calor se puede aplicar mediante infrarrojos, inducción, conducción, convección, radiación, ultrasonidos u otra técnica. Se pueden unir múltiples componentes a un solo sustrato laminado o múltiples sustratos laminados en un método en serie o paralelo. En al menos un ejemplo de referencia, la sinterización se puede realizar a una temperatura de aproximadamente 200 °C durante aproximadamente 15 minutos.
En algunos ejemplos de referencia, el equipo para la fijación de múltiples componentes puede ser una prensa hidráulica 0 neumática, tal como una fabricada por Carver Inc. Una prensa típica puede tener una gran placa de calentamiento para acomodar un gran número de sustratos. La placa puede proporcionar calor de aproximadamente 200 a aproximadamente 300 °C y la prensa puede ser capaz de proporcionar una fuerza suficiente para generar una presión de aproximadamente 1 a aproximadamente 20 MPa en los componentes fijados. Un ejemplo de una de estas prensas es la prensa Carver MH 3891. Para la fijación de una sola matriz o componente, se puede usar un equipo como una fijadora de matriz de soldadura blanda ESEC SSI 2009. La fijadora puede ser capaz de aplicar una fuerza de unión de aproximadamente 100 N y calentarse hasta aproximadamente 400 °C.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, el proceso de sinterización puede convertir las partículas metálicas del material de sinterización en metal engrosado. Sin desear estar ligado a ninguna teoría en particular, al inicio del proceso de sinterización, las nanopartículas pueden convertirse en partículas micrométricas y luego convertirse en metal engrosado a través del crecimiento y densificación del grano a medida que aumenta la temperatura y el tiempo, incluso sin presión aplicada. Puede formarse una película de metal densa con una resistencia comparable a la del metal engrosado.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, si se sigue cualquiera de los procesos de sinterización descritos anteriormente, las piezas ensambladas pueden tratarse posteriormente en el horno, por ejemplo, a aproximadamente 300 °C durante aproximadamente 5 a 10 minutos. Tal post-sinterización puede resultar en una resistencia mejorada de las juntas del ensamblaje. El uso de la post-sinterización también puede minimizar el tiempo total de sinterización del proceso y aumentar el rendimiento de la prensa de sinterización.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, las uniones resultantes pueden estar asociados con una alta conductividad térmica y eléctrica. Los ejemplos no limitantes de líneas de unión de plata pueden tener una conductividad térmica en el rango de aproximadamente 250 W/m°K. Algunos ejemplos no limitantes de líneas de unión de plata pueden tener una densidad de aproximadamente 85 a aproximadamente 95 % de plata engrosada. Las uniones también pueden estar asociadas con una alta resistencia al choque térmico que puede contribuir a prolongar la vida útil de la unión de la matriz. En algunos ejemplos de referencia, las uniones pueden exhibir una resistencia de la unión de más de 40 MPa (cizallamiento de la matriz) durante más de 2000 ciclos a 220 °C. En al menos algunos ejemplos de referencia, no se puede producir delaminación incluso después de 800 ciclos de choque térmico a 220 °C.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, la plata puede ser apropiada para aplicaciones de empaquetamiento a alta temperatura debido a su alta conductividad eléctrica y térmica, baja susceptibilidad a la oxidación y punto de fusión que es suficiente para soportar altas temperaturas operativas. En algunos ejemplos de referencia, una unión de plata puede ser más de cinco veces más confiable que la soldadura.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, los materiales y técnicas de sinterización pueden ser útiles en la fijación de Si, SiC, GaN u otros dispositivos semiconductores.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, los componentes tales como dispositivos semiconductores se pueden fijar a un sustrato mediante el uso de una pasta metálica en lugar de una película. La figura 6 presenta un esquema de un método no limitante para la fijación de la matriz mediante el uso de baja temperatura y baja presión. En el proceso, se puede imprimir una pasta de metal sobre un sustrato. Se pueden usar varias pastas. La pasta de metal puede ser una pasta de nanometal como una pasta de nanoplata. En un ejemplo no limitante, se puede usar una pasta de plata comercializada por Alpha Metals Inc., tal como una que contenga nanopolvo de plata y un vehículo orgánico. Se pueden usar varios sustratos, como marcos de plomo de cobre desnudo o marcos de plomo de cobre que incluyen un recubrimiento de plata u oro. También se pueden usar sustratos cerámicos y DBC. Pueden usarse varias matrices, tales como las que involucran silicio, carburo de silicio o cualquier otro chip o dispositivo.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, un proceso de fijación de una matriz puede implicar la impresión sobre un sustrato, tal como un marco de plomo. En tales ejemplos de referencia, la impresión de la pasta sobre el sustrato se puede lograr mediante diversas técnicas que incluyen estarcido/serigrafía o mediante dispensación. El sustrato puede ser cualquier material deseado, como un material a base de cobre o una cerámica metalizada, por ejemplo, DBC. El proceso de fijación ilustrado en la figura 6 puede incluir etapas no limitantes de imprimir la pasta sobre un sustrato, secar la pasta, por ejemplo, a 130 °C, colocar una matriz sobre la pasta impresa, colocar el conjunto matriz-sustrato en una fase de calentamiento, aplicar presión, elevar la temperatura de aproximadamente 250 °C a aproximadamente 300 °C, y mantener la presión y la temperatura durante aproximadamente 30 a aproximadamente 90 segundos.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, un proceso de fijación de matrices puede usar un equipo de unión de matrices de soldadura blanda estándar. Una herramienta de recogida puede tomar una matriz de una cinta de corte y colocarlo con fuerza sobre un sustrato calentado. La pasta, como la pasta de plata, puede imprimirse en el sustrato o en el lado posterior de una matriz individual, una oblea completa o aplicarse como una película. La deposición puede realizarse mediante impresión o aplicarse como una película mediante laminación. Ejemplos de procesos no limitantes de acuerdo con uno o más ejemplos de referencia se muestran esquemáticamente en las figuras 7A y 7B. La figura 7A ilustra la impresión en el sustrato mientras que la figura 7B ilustra la impresión en la parte trasera del componente.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, un proceso de fijación de la matriz puede implicar la impresión sobre un sustrato mediante impresión por dispensación. Se puede dispensar pasta de plata, tal como una pasta de nanoplata, en un marco de plomo y luego se puede realizar la fijación de una manera similar a la descrita anteriormente. Las técnicas de dispensación pueden no producir una superficie sustancialmente plana comparable a la producida por impresión por estarcido o serigrafía. Hay varios tipos de equipos de dispensación disponibles para uso industrial y de laboratorio.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, un proceso de fijación de una matriz puede implicar imprimir en el lado posterior de una matriz, como una oblea. De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, se puede aplicar una pasta, tal como una pasta de nanoplata, al lado posterior de una oblea de varias formas. En algunos ejemplos de referencia, se puede aplicar pasta de nanoplata en el lado posterior de una oblea completa y luego la oblea se puede cortar en chips individuales. En otros ejemplos de referencia, la oblea se puede cortar primero y luego se puede aplicar pasta al lado posterior de los chips individuales.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, se puede aplicar pasta en el lado posterior de una oblea completa. La pasta se puede secar después de la aplicación. En algunos ejemplos de referencia, la pasta se puede secar a aproximadamente 130 °C durante aproximadamente 30 a 90 minutos. Una solución de refuerzo se puede
aplicar, como por pulverización o recubrimiento por centrifugación. La oblea se puede colocar luego en una cinta de corte y la oblea se puede cortar. La oblea cortada en la cinta puede introducirse en una fijadora de matriz de soldadura blanda. La matriz individual puede recogerse y colocarse sobre un sustrato con fuerza, tal como la suficiente para producir una presión de aproximadamente 5 a 10 MPa. Puede aplicarse calor, por ejemplo, a una temperatura de aproximadamente 250 a 400 °C. La presión puede mantenerse, por ejemplo, para la sinterización, durante aproximadamente 0,5 a 1 segundo. También se puede realizar la post-sinterización, como a una temperatura de aproximadamente 250 a 300 °C durante aproximadamente 10 a 30 minutos.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, un factor importante en el proceso de fijación es la capacidad de una capa de pasta impresa para resistir el cortado y un proceso de recogida sin daños. Sin sinterizar, una capa de plata impresa puede ser ligeramente fuerte y su adhesión al lado posterior de una oblea puede ser débil. Sin la resistencia adecuada, una capa de plata puede destruirse durante el corte/o durante un etapa de recogida de la matriz. Para reforzar una capa de plata después de la impresión y el secado, se puede pulverizar una solución que contiene un polímero o resina o aplicar un recubrimiento por centrifugación sobre la capa de plata. Después del secado, esta capa superior puede asegurar la resistencia de la capa de plata y la adhesión a la oblea. Es deseable que el polímero y/o la resina se descompongan durante una etapa de sinterización posterior para minimizar el efecto de cualquier residuo sobre las propiedades de la capa de plata sinterizada. Los ejemplos no limitantes de polímeros y resinas que pueden usarse incluyen PMMA, PVP, Joncryl 682 y colofonias hidrogenadas. En algunos ejemplos de referencia, determinadas resinas, tales como colofonias hidrogenadas o materiales similares, pueden incorporarse a la composición de la pasta de plata. La aplicación de la solución de refuerzo puede ser opcional, se incorporen o no dichos materiales en la formulación de la pasta.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, la plata se puede imprimir en forma de golpes en lugar de como una película continua. El golpe se usa convencionalmente con varios dispositivos, como chips semiconductores, incluida la memoria o los procesadores. Los golpes aplicados están típicamente en el rango de aproximadamente 80-150 micras de diámetro y están hechas de soldadura. De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, la soldadura se puede reemplazar con plata para una alta conductividad térmica y disipación de calor.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, la pasta se puede imprimir en el lado posterior de las matrices individuales. Un ejemplo de referencia de este proceso se muestra esquemáticamente en la figura 8. Las matrices pueden tomarse de la cinta de corte y colocarse en un soporte para plantillas. El grosor del soporte de la plantilla puede ser generalmente igual al grosor de la matriz más el grosor de impresión. El soporte se puede voltear para exponer el lado posterior de las matrices. Luego, se puede imprimir pasta de nanoplata en el lado posterior. La pasta se puede secar, por ejemplo, a 130 °C durante aproximadamente 30 minutos. El soporte de la plantilla se puede voltear para exponer el lado superior de las matrices. A continuación, las matrices pueden recogerse individualmente y colocarse sobre un sustrato. El sustrato se puede precalentar, por ejemplo, hasta una temperatura de aproximadamente 400 °C. En algunos ejemplos de referencia, las matrices se pueden colocar con una fuerza suficiente para producir una presión de aproximadamente 5 a 20 MPa. En al menos un ejemplo de referencia, la presión puede mantenerse durante aproximadamente 0,5-2 segundos. La figura 9 presenta un ejemplo de una matriz fijada por el proceso de la figura 8. La figura 10 presenta una vista en sección transversal de la fijación, que indica una capa de plata completamente sinterizada conectada a la metalización en la matriz y el sustrato metálico.
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, las películas se pueden fabricar y transferir a una oblea, matriz o sustrato. Las películas de nanoplata se pueden fabricar mediante el uso de tintas, pastas o dispersiones de nanoplata especialmente formuladas. Tales formulaciones pueden incluir polvo de nanoplata, solventes y aglutinantes. Las películas se pueden hacer al depositar las formulaciones sobre un sustrato y al secar la formulación a temperatura ambiente o elevada. Los sustratos típicos pueden incluir polímeros, tereftalato de polietileno, papel y láminas de aluminio. Las películas se pueden depositar sobre el sustrato mediante impresión, racleta o pulverización. Las películas pueden ser continuas y/o modeladas con una geometría deseada. Las películas se pueden depositar sobre un soporte rígido o flexible. Las películas impresas se pueden secar típicamente en un horno, por ejemplo a aproximadamente de 70 °C a 130 °C durante aproximadamente de 10 a 40 minutos. A continuación, se puede retirar el soporte y se pueden crear películas independientes. Las películas fabricadas se pueden transferir a una oblea, matriz o sustrato mediante un proceso de transferencia al aplicar calor y presión. La presión aplicada puede estar típicamente en el rango de aproximadamente 0 a 2 MPa o más, y la temperatura aplicada puede estar en el rango de temperatura ambiente a aproximadamente 150 °C. La oblea, matriz o sustrato se puede fijar luego mediante el uso de cualquier técnica de sinterización conocida, incluidos los procesos de fijación descritos anteriormente. En la figura 11 se muestra esquemáticamente un ejemplo no limitante de un proceso para transferir una película a una oblea. Las figuras 12A y 12B presentan ejemplos de películas impresas y la figura 12C ilustra nanopelículas independientes.
Una película se puede transferir a una matriz, componente o esparcidor de calor individual en las condiciones del proceso descritas anteriormente. Un componente puede introducirse en una película continua o modelada mediante una herramienta común de selección y colocación. La película puede adherirse al lado posterior del componente que luego puede introducirse en un proceso de sinterización final. En el caso de una película continua, la porción de la película que se transferirá será generalmente igual a la dimensión del componente. Para sinterizar múltiples matrices simultáneamente, las matrices o componentes que contienen la película aplicada se pueden pegar temporalmente a un sustrato y luego sinterizar mediante cualquier método descrito anteriormente. Pueden formarse nanopelículas mediante el uso de cualquier polvo de nanometal. Las nanopelículas pueden incluir varios aditivos funcionales para mejorar las propiedades físicas y/o mecánicas deseadas y pueden considerarse nanopelículas "compuestos".
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, se pueden usar nanoplata y/u otros metales para fijar la matriz. Una película continua de pasta se puede estarcir o serigrafiar. También se pueden utilizar recubrimiento por centrifugación, recubrimiento por pulverización, racleta o moldeado. En algunos ejemplos de referencia, la plata se puede imprimir en forma de golpes, de 50-200 micras de tamaño. La película o las golpes pueden transferirse. Se puede aplicar una película de pasta de nanoplata a toda una oblea antes de cortarla. Se puede aplicar una película como una etapa en el corte o después de que se complete la fabricación de la oblea. La pasta y las partículas se pueden formular con una composición y propiedades específicas para promover la adhesión a la oblea, la adhesión a la película de corte y la cohesión entre partículas. Las formulaciones también pueden facilitar el secado y el almacenamiento, así como también no inhibir el proceso de sinterización y el proceso de unión necesarios para la aplicación. Para facilitar el corte, se puede aplicar presión a la capa de nanoplata impresa para mejorar la cohesión y adhesión a la oblea. El corte se puede habilitar mediante el uso de plantillas para producir ranuras de corte para hojas de sierra, así como también mediante el refuerzo de la adhesión de la matriz a la cinta de corte durante el corte. La sinterización se puede habilitar mediante el uso de cualquier forma de calor, que incluye convección, radiación, inducción y microondas. Se puede habilitar la sinterización rápida, como menos de un minuto. También se puede utilizar la sinterización lenta, así como también la sinterización combinada con difusión. La aplicación de pasta de plata en el lado de la matriz puede proporcionar poca o ninguna limitación de temperatura desde el lado del caucho, así como también poca o ninguna limitación de temperatura desde el lado del sustrato. La aplicación de pasta de plata en el lado de la matriz también puede permitir la fijación realizada con una herramienta dura y, en general, puede proporcionar una ventana de proceso más amplia. En algunos ejemplos de referencia, se puede realizar la unión de oblea a oblea, así como otras aplicaciones de unión que incluyen unión de alambre, unión de cinta, sellado hermético, sellado de tapa, unión de metal a metal, unión de metal a vidrio, unión general y unión a varios materiales poliméricos.
La función y las ventajas de estas y otras modalidades se entenderán más completamente a partir de los siguientes ejemplos. Los ejemplos pretenden ser de naturaleza ilustrativa y no deben considerarse como limitantes del alcance de las modalidades discutidas en la presente descripción.
Ejemplo 1
La figura 13 ilustra un ejemplo de un marco de plomo impreso con pasta de nanoplata mediante el uso de una plantilla de 100 micras de grueso. El grosor de la plantilla generalmente puede dictar el grosor de la línea de unión. Después de la impresión, el marco de plomo se seca en el horno a 130 °C durante 30 minutos. El equipo usado para
demostrar que el proceso era una fijadora de matriz de soldadura blanda comercializada por ESEC (Suiza). El equipo estándar se modificó para proporcionar una opción de calefacción en el brazo de recogida. La figura 14 presenta los ajustes de temperatura que se usaron en varias zonas en las que la temperatura del marco de plomo se mantuvo por debajo de 150 °C. La temperatura en las zonas de calentamiento 1 a 6 se fijaron por debajo de 150 °C, para no sobrecalentar y sinterizar previamente la pasta. La temperatura en la zona 7 en la que tuvo lugar el proceso de fijación se ajustó a aproximadamente 300 °C a aproximadamente 400 °C y la zona 8 se ajustó a la misma temperatura. Los marcos de plomo impresos se cargaron en la máquina que los indexó a través de las zonas de calor con una velocidad para proporcionar un tiempo de unión entre 0,5 y 1 segundo. La figura 15 ilustra un marco de plomo con las matrices fijadas. Después de la fijación de las matrices en la fijadora de soldadura blanda, parte del marco de plomo se trató térmicamente (post-sinterizado) en el horno a 300 °C durante aproximadamente 10 minutos para aumentar la adhesión de la matriz al marco de plomo. La fuerza de cizallamiento típica de la matriz fue de aproximadamente 20 MPa.
La figura 16 ilustra una sección transversal típica de la junta creada. La confiabilidad de la junta se probó en una prueba de choque térmico de líquido a líquido. Los ajustes de temperatura fueron de -50 °C a 125 °C con un tiempo de ciclo de 6 minutos. Las imágenes del microscopio acústico indicaron cambios mínimos o nulos en la morfología de las juntas, lo que indica una buena conexión fiable de las matrices al marco de plomo, como se ilustra en la figura 17.
Ejemplo 2
De acuerdo con uno o más ejemplos de referencia, el proceso para la fijación de la matriz después de la dispensación puede variar en dependencia del tamaño y el equipo de la matriz. En un primer proceso, la pasta se puede dispensar y luego nivelar mediante el uso de una superficie antiadherente, como una almohadilla de Teflon®. A continuación, la pasta se puede secar, por ejemplo, a aproximadamente 130 °C durante aproximadamente 30 minutos. A continuación, la matriz puede colocarse y sinterizarse, por ejemplo, a una temperatura de aproximadamente 250 °C a 300 °C. En un segundo proceso, se puede dispensar pasta y se puede colocar una matriz sobre la superficie húmeda con una fuerza mínima. A continuación, la pasta se puede secar, por ejemplo, a aproximadamente 130 °C durante aproximadamente de 20 a 30 minutos. A continuación, la matriz se puede colocar y sinterizar a aproximadamente 250 °C a 300 °C. La figura 18 ilustra una matriz fijada por este segundo proceso. En un tercer proceso, se puede dispensar pasta y luego secar parcialmente para mantener la pasta suave. En algunos ejemplos de referencia, el secado parcial puede ser a aproximadamente 70 °C durante aproximadamente 5 minutos. A continuación, la matriz se puede colocar y sinterizar a aproximadamente 250 °C a 300 °C después del secado parcial. La figura 19 presenta una matriz fijada por este tercer proceso.
Se llevaron a cabo pruebas con una fuerza aplicada de aproximadamente ION a aproximadamente 50 N. La demora entre las aplicaciones de presión de la tobera osciló entre 50 ms y 1000 ms. Se llevaron a cabo ensayos con una temperatura aplicada de aproximadamente 130 °C a aproximadamente 160 °C.
Para matrices pequeñas, los mejores resultados se obtuvieron con la lámina de respaldo delgada y al utilizar un sustrato de PCB como soporte de estampado. Para matrices grandes, los mejores resultados se obtuvieron con la lámina de respaldo gruesa y mediante el uso de una lámina de cavidad de acero inoxidable de 120 micras de grueso como soporte de estampado. Los parámetros de funcionamiento óptimos para matrices pequeñas fueron una fuerza de aproximadamente 2500 gramos, un retraso de aproximadamente 500 ms y una temperatura de la tobera de aproximadamente 145 °C. Los parámetros de funcionamiento óptimos para ambas matrices grandes fueron una fuerza de aproximadamente 2500 gramos, un retraso de aproximadamente 1000 ms y una temperatura de la tobera de aproximadamente 150 °C. Se logró una distancia mínima de 1 mm entre dos matrices tanto para matrices pequeñas como grandes.
Ejemplo 6
Se fijaron matrices a sustratos de oro y DBC con películas de sinterización de acuerdo con una o más modalidades. Las imágenes antes de una prueba de flexión se ilustran en la figura 22A y las imágenes después de la prueba de flexión se ilustran en la figura 22B. La prueba de flexión no mostró desprendimiento de la matriz de las superficies de oro y DBC. La figura 23 A presenta imágenes CSAM antes del choque térmico. La figura 23B presenta imágenes de microscopio acústico después de 500 ciclos de choque térmico de líquido a líquido desde -50 °C a 165 °C. No se demostró delaminación o degradación de la unión, lo que indica la integridad de la unión.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Una película de sinterización para la fijación de componentes en un proceso de ensamblaje de sinterización, la película de sinterización que comprende una capa de una composición que comprende:
un polvo metálico que tiene un rango d50 de 0,001 a 10 micrómetros, el polvo metálico que comprende del 30 al 95 % en peso de la composición;
un aglutinante que tiene un punto de ablandamiento entre 50 y 170 °C, el aglutinante que comprende de 0,1 a 5 % en peso de la composición; y
un solvente en una cantidad suficiente para disolver al menos el aglutinante, la capa de composición que tiene un grosor en seco de 5 a 300 micras, en donde la capa de composición está sobre un sustrato polimérico que comprende un recubrimiento de liberación.
2. La película de sinterización de la reivindicación 1, en donde el sustrato polimérico comprende poliéster.
3. La película de sinterización de la reivindicación 1, en donde el polvo metálico comprende partículas de plata.
4. La película de sinterización de cualquier reivindicación anterior, configurada para una operación de sinterización a una presión entre 0,5 MPa y 20 MPa.
5. La película de sinterización de cualquier reivindicación anterior, configurada para proporcionar una línea de unión que tiene un grosor en un rango de 2 micras a 100 micras.
6. La película de sinterización de cualquier reivindicación anterior, en donde la capa de composición se aplica en formas discretas con respecto a una superficie del sustrato, las formas discretas que tienen una geometría correspondiente a las dimensiones de un componente a fijar mediante el uso de la película de sinterización.
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