IT201800020272A1

IT201800020272A1 - Pressa di sinterizzazione per sinterizzare componenti elettronici su un substrato

Info

Publication number: IT201800020272A1
Application number: IT102018000020272A
Authority: IT
Inventors: Nicola Schivalocchi
Original assignee: Amx Automatrix S R L
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-20
Also published as: JP2022510932A; JP7498501B2; CN113169095A; MA54524A; KR20210105354A; EP3900023A1; US20220020710A1; WO2020128836A1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una pressa di sinterizzazione per sinterizzare componenti elettronici su un substrato.

Come è noto, in talune applicazioni di elettronica, componenti elettronici integrati, ad esempio diodi, IGBT, termistori, MOSFET, vengono fissati ad un substrato mediante l’interposizione di una pasta di sinterizzazione. Affinché ogni componente venga sinterizzato correttamente, esso deve essere pressato sul substrato mentre questo si trova ad una temperatura di sinterizzazione, ad esempio superiore a 200°C.

Una pressa di sinterizzazione comprende solitamente un basamento che forma un piano di pressatura su cui sono posizionati uno o più substrati. La pressa è dotata di un gruppo di pressatura provvisto, per ogni substrato, di uno o più organi pressori comandati ad esempio da un circuito idraulico per esercitare una pressione prestabilita sui componenti elettronici da sinterizzare. In alcune forme di realizzazione della pressa, il basamento è inoltre dotato di una o più celle di carico adatte a rilevare la sommatoria delle forze esercitate dagli organi pressori sui componenti elettronici per ogni substrato onde monitorare il corretto funzionamento della pressa. Le celle di carico sono componenti elettronici che devono operare a temperature molto inferiori rispetto alla temperatura di sinterizzazione. Uno dei problemi che affliggono le presse di sinterizzazione del tipo sopra descritto è quindi il mantenimento delle celle di carico ad una temperatura di lavoro molto inferiore rispetto alla temperatura di sinterizzazione, pur essendo le celle di carico operativamente collegate al piano di pressatura dovendo rilevare la corretta applicazione della forza esercitata dagli organi pressori sui substrati.

Scopo della presente invenzione è quello di proporre una pressa in grado di risolvere un tale problema.

Detto scopo è conseguito con una pressa secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.

Le caratteristiche e i vantaggi della pressa di sinterizzazione secondo l’invenzione risulteranno comunque evidenti dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:

- la figura 1 è una sezione assiale della pressa secondo l’invenzione; e

- la figura 2 è una vista prospettica di un elemento di reazione.

In detti disegni, con 1 è stata indicata una pressa di sinterizzazione secondo l’invenzione nel suo complesso. La pressa è adatta ad eseguire la sinterizzazione di componenti elettronici 10 su un substrato 12.

In una forma di realizzazione, la pressa 1 è progettata per eseguire la sinterizzazione contemporanea di componenti elettronici su una pluralità di substrati 12. I substrati 12 portano i componenti elettronici 10 da sinterizzare (ad esempio IGBT, diodi, termistori, MOSFET) posizionati su uno strato di pasta di sinterizzazione. I componenti 10 devono essere processati con una pressione superficiale predefinita, ad esempio di 30 MPa, ad una temperatura predefinita, ad esempio di 260°C, per 180 ÷ 300 secondi.

I componenti elettronici 10 devono essere pressati con una forza direttamente proporzionale alla loro superficie di proiezione, tenendo conto che i componenti sono di spessore diversificato per famiglie.

La pressa di sinterizzazione 1 comprende un’incastellatura 8, ad esempio che si sviluppa in verticale lungo un asse di pressa X, che si estende in verticale e che supporta superiormente un gruppo di pressatura 14 ed inferiormente un basamento di reazione 60 che supporta almeno un substrato 12, preferibilmente una pluralità di substrati 12.

Uno o entrambi tra il gruppo di pressatura 14 ed il basamento 60 è movibile rispetto all’altro lungo l’asse di pressa X per portare i componenti elettronici da sinterizzare 10 sostanzialmente a contatto del gruppo di pressatura 14 per poi effettuare la pressata.

In una forma di realizzazione, il gruppo di pressatura 14 comprende, per ogni substrato 12, uno o più organi pressori adatti ad applicare la necessaria pressione di sinterizzazione sui componenti elettronici 10.

In una forma di realizzazione, il gruppo di pressatura 14 comprende un cilindro multistelo 20 provvisto di steli pressori 28 paralleli e indipendenti tra loro. Ogni stelo pressore 28 è coassiale e baricentrico ad un rispettivo componente elettronico 10 da sinterizzare ed ha una sezione di spinta proporzionale alla forza da esercitare sul rispettivo componente elettronico 10, essendo nota l’area di ogni componente elettronico da sinterizzare e per una pressione di sinterizzazione prestabilita. Con il termine “baricentrico” si intende che ogni stelo pressore 28 ha un asse di stelo che coincide con il baricentro del rispettivo componente elettronico 10.

In una forma di realizzazione, gli steli pressori 28 sono azionati da un fluido di comando in pressione. Ad esempio, gli steli pressori 28 comunicano con una camera di compressione 30 in cui viene introdotto il fluido di comando e in cui è alloggiato un elemento di comando adatto a trasferire agli steli pressori la pressione esercitata dal fluido di comando. Ad esempio, questo elemento di comando è in forma di membrana 32. Quando la camera di compressione 30 è pressurizzata alla pressione di sinterizzazione, la membrana 32 si deforma andando in appoggio contro le estremità posteriori 28’ degli steli pressori 28 per un trasferimento della pressione di sinterizzazione su ogni stelo pressore 28.

Naturalmente, possono essere impiegati anche altri sistemi di attuazione degli steli pressori.

In accordo con un aspetto dell’invenzione, la pressa comprende almeno un elemento di reazione 40 che si estende lungo un asse di elemento parallelo all’asse di pressa X tra una prima estremità di elemento 40’ ed una seconda estremità di elemento 40”. La prima estremità di elemento 40’ forma un piano di supporto per un rispettivo substrato 12.

Alla seconda estremità di elemento 40” è operativamente collegata una cella di carico 50. La cella di carico 50 è adatta a rilevare, per il tramite dell’elemento di reazione 40, la forza esercitata da uno o più steli pressori 28 del gruppo di pressatura 14 sui componenti elettronici 10 da sinterizzare posti sul substrato 12. Da notare che la cella di carico 50 può essere utilizzata, a seconda delle specifiche esigenze, semplicemente per rilevare che sia stata applicata una pressione al rispettivo substrato, quindi in modalità di funzionamento ON/OFF, oppure per rilevare il valore della pressione applicata, ad esempio per un controllo di pressione retroazionato.

In una forma di realizzazione, la cella di carico 50 è alloggiata in una piastra porta celle 52 operativamente collegata ad un circuito di raffreddamento 54.

Ogni elemento di reazione 40 è supportato scorrevolmente in una piastra elementi 70. Con il termine “supportato scorrevolmente” non si intende che l’elemento deve necessariamente scorrere nella piastra elementi 70, ma che tale elemento è inserito in modo guidato in una rispettiva sede di guida ricavata nella piastra elementi senza essere vincolato ad essa. Infatti, come verrà di seguito descritto, la piastra elementi 70 deve garantire una trasmissione di calore da essa all’elemento di reazione 40, mantenere quest’ultimo in posizione corretta ad asse parallelo all’asse di pressa X, ma allo stesso tempo senza influire sulla forza rilevata dalla rispettiva cella di carico 50.

Da notare che, in una forma preferita di realizzazione, la seconda estremità 40” dell’elemento di reazione è sempre a contatto con la cella di carico 50 per cui, in fase di pressatura, l’elemento di reazione 40 subisce uno spostamento assiale sostanzialmente nullo o trascurabile. In questo caso, l’elemento di reazione 40 fornisce un vero e proprio contrasto alla forza esercitata dall’organo pressore, che viene quindi completamente assorbita dai componenti elettronici da sinterizzare.

In una forma di realizzazione, la piastra elementi 70 è riscaldata di un circuito di riscaldamento 72 adatto a portare la piastra elementi 70 e, per conduzione, gli elementi di reazione 40, alla temperatura richiesta per la sinterizzazione. Ad esempio, il circuito di riscaldamento 72 è annegato in un corpo riscaldatore 74 posto attorno alla piastra elementi 70.

Ogni elemento di reazione 40 ha una porzione di riscaldamento 40a che attraversa la piastra elementi 70 e che è adatta a trasmettere per conduzione il calore della piastra elementi 70 al rispettivo substrato 12. L’elemento di reazione 40 ha inoltre una porzione di raffreddamento 40b terminante con la seconda estremità 40” e sagomata in modo tale da dissipare il calore trasmesso dalla piastra elementi 70 alla porzione di riscaldamento 40a.

Ad esempio, la porzione di riscaldamento 40a e la porzione di raffreddamento 40b sono consecutive tra loro.

In una forma di realizzazione, la porzione di riscaldamento 40a ha un’estensione assiale sostanzialmente pari o di poco superiore rispetto allo spessore della piastra elementi 70. Ad esempio, la porzione di riscaldamento 40a termina con la prima estremità 40’ dell’elemento di reazione 40, la quale sporge assialmente dalla piastra elementi 70.

In una forma di realizzazione, la piastra elementi 70 e la piastra porta celle 52 sono separate assialmente tra loro da un fluido di separazione adatto a dissipare il calore dell’elemento di reazione, ad esempio aria.

Ad esempio, la porzione di raffreddamento 40b ha un’estensione sostanzialmente pari alla distanza tra la piastra elementi 70 e la piastra porta celle 52.

In una forma di realizzazione, la porzione di riscaldamento 40a è a forma di prisma. Ad esempio, la porzione di riscaldamento 40a ha un’estensione assiale maggiore rispetto al diametro del piano di appoggio del substrato.

In una forma di realizzazione, la porzione di raffreddamento 40b comprende una successione assiale di dischi dissipatori 44 che si estendono coassialmente all’asse di elemento.

In una forma di realizzazione, la seconda estremità 40” dell’elemento di reazione 40 è dotata di uno schermo per infrarossi 46 affacciato alla cella di carico 50.

In una forma di realizzazione, il circuito di riscaldamento 72 è adatto a riscaldare la piastra elementi ad una temperatura di lavoro compresa tra 240°C e 290°C.

Ad esempio, la piastra elementi è realizzata in un materiale metallico ad elevata conducibilità termica. Ad esempio, il circuito di riscaldamento 72 comprende resistenze elettriche controllate da termoresistenze. In una forma di realizzazione, il circuito di raffreddamento 54 è adatto a mantenere la piastra porta celle 52 ad una temperatura di circa 25°C.

Ad esempio, il circuito di raffreddamento è basato sulla circolazione di un liquido di raffreddamento condizionato da un chiller.

L’elemento di reazione, combinato alla piastra elementi riscaldabile e alla piastra porta celle raffreddabile, permette quindi di:

- provvedere al riscaldamento del substrato in sinterizzazione grazie alla trasmissione di calore per conduzione dalla piastra elementi alla porzione di riscaldamento dell’elemento di reazione;

- contrastare la pressione di sinterizzazione attuata dagli organi pressori superiori;

- trasmettere la forza di contrasto alla cella di carico;

- ridurre la trasmissione di calore alla cella di carico.

Il circuito di raffreddamento può quindi mantenere la cella di carico ad una temperatura di lavoro accettabile, ad esempio di 60°C, senza un eccessivo dispendio di energia.

Alle forme di realizzazione della pressa di sinterizzazione secondo l’invenzione un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pressa di sinterizzazione per sinterizzare componenti elettronici su un substrato, comprendente: - almeno un elemento di reazione che si estende lungo un asse di elemento parallelo all’asse di pressatura della pressa tra una prima estremità di elemento ed una seconda estremità di elemento, in cui la prima estremità di elemento forma un piano di supporto per un rispettivo substrato; - almeno una cella di carico operativamente collegata alla seconda estremità di elemento, in modo tale che detta cella di carico rileva, per il tramite dell’elemento di reazione, la sommatoria delle forze esercitate da uno o più organi pressori della pressa su rispettivi componenti elettronici da sinterizzare posti sul substrato, la cella di carico essendo alloggiata in una piastra porta celle operativamente collegata ad un circuito di raffreddamento; - una piastra elementi adatta a supportare scorrevolmente l’almeno un elemento di reazione e provvista di un circuito di riscaldamento, in cui: - l’elemento di reazione ha una porzione di riscaldamento che attraversa la piastra elementi e che è adatta a trasmettere per conduzione il calore della piastra elementi al substrato; - l’elemento di reazione ha una porzione di raffreddamento terminante con la seconda estremità e sagomata in modo tale da dissipare il calore trasmesso dalla piastra elementi alla porzione di riscaldamento.
2. Pressa secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione di riscaldamento è a forma di prisma.
3. Pressa secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la porzione di raffreddamento comprende una successione assiale di dischi dissipatori che si estendono coassialmente all’asse di elemento.
4. Pressa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la seconda estremità dell’elemento di reazione è dotata di uno schermo per infrarossi affacciato alla cella di carico.
5. Pressa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito di riscaldamento è adatto a riscaldare la piastra elementi ad una temperatura di lavoro compresa tra 240°C e 290°C.
6. Pressa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito di raffreddamento è adatto a mantenere la piastra porta celle ad una temperatura di circa 60°C.
7. Pressa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di elementi di reazione supportati scorrevolmente dalla piastra elementi, ad ogni elemento di reazione essendo associata una cella di carico.