TW202331863A - 用於連接至少一個電子組件之元件的擴散焊接和／或燒結裝置、工具及系統 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種用於藉助於擴散焊接或壓力燒結連接至少一個電子組件，尤其複數個電子組件之元件的擴散焊接裝置及/或燒結裝置，關於一種按壓工具且關於一種包含此等的系統。該裝置包含一上部工具及一下部工具，該等組件固持於該上部工具與該下部工具之間，其中該上部工具具有：至少一個壓力襯墊，其填充或可填充有內部壓力可變之一流體或可移位介質；及至少一個、尤其若干柱塞，其可操作地連接至該壓力襯墊且經組態用於將由該壓力襯墊之一壓力增加產生的一按壓力傳輸至該等組件。 本發明提供該上部工具具有一導引框架，在該導引框架中，該（等）柱塞沿著該按壓力之有效方向可軸向移動地被導引，且該（等）柱塞在抵靠該壓力襯墊密封時在該導引框架內部可移動地被導引。 在一從屬態樣中，提議一種可用於一前述擴散焊接或燒結裝置中之按壓工具，及一種包含一按壓工具及/或一前述裝置之多模組系統。

Description

用於連接至少一個電子組件之元件的擴散焊接和/或燒結裝置、工具及系統

本發明關於一種用於藉助於擴散焊接及/或壓力燒結來連接至少一個電子組件之元件的擴散焊接裝置及/或燒結裝置，其具有組件固持於其間的上部工具與下部工具，其中上部工具具有：至少一個壓力襯墊，其填充或可填充有內部壓力可變之流體或可移位介質；及至少一個、尤其若干柱塞，其可操作地連接至壓力襯墊且經組態用於將由壓力襯墊中之壓力增加產生的按壓力傳輸至組件及傳輸熱能。

在通用擴散焊接及/或燒結裝置中，固態工件可在熱量及壓力作用下由細粒度或粗粒材料或材料混合物組成之所謂生坯產生。通用擴散焊接及/或燒結裝置用於將電子組件之元件機械地、電性地及導熱地彼此連接。舉例而言，通用擴散焊接及/或燒結裝置可用於藉助於擴散焊接或壓力燒結將電半導體零件（諸如，高效能切換部件或半導體組件）及基體（例如，PCB、散熱片或類似物）彼此連接。因此，在功率電子學領域中提供所謂的模製模組已變得常見，其中各種電子電路及半導體零件可經整合且通常配備有用於連接至電子系統之接觸銷。此等模製模組可用於包封電子元件，其中導線接合、焊接或膠合之微電子結構可由熱機械調適及堅固的包封材料保護。

在擴散焊接中，使用壓力將固態基礎材料之原子與液態焊料之原子混合。此產生合金區，其在基礎材料與焊料之間形成物質與物質的連接。在兩個或更多個元件，尤其電子元件及基板的壓力燒結-低溫壓力燒結之變化中，有可能藉助於接合材料以電氣及/或熱導方式彼此連接，該連接接合材料經燒結。對應裝置及方法例如從WO 2014/135151 A2中已知。

當前正在研發連接方法，其表示擴散焊接製程與燒結製程之組合，其中連接構件可使用擴散焊料與燒結膏之組合。

所需壓力可為高達650巴；施加高達350℃之溫度為可能的。

通用擴散焊接及/或燒結裝置在自動燒結系統中，尤其在自動多腔室燒結系統中頻繁使用。

電子組件自身之燒結或擴散焊接係藉由調節待燒結之組件及/或其元件之溫度且藉由上部及下部工具賦予之壓力的動作來達成。舉例而言，在利用銀之低溫壓力燒結期間連接及擴散所需之溫度規則地在大約130℃與250℃至300℃之間，且在高達30 MPa之壓力下需要約5至10分鐘之持續時間。

為了在壓力燒結期間從插入於元件之間的燒結材料獲得平行及儘可能閉孔之層，以便確保機械穩定且尤其抗剪應力的連接以及所需導電性及導熱性，在擴散製程之前及期間藉由壓力來壓實接合層。在燒結操作即將結束之際，壓力及溫度降低。

一個挑戰為以最均勻方式將擴散焊接或燒結所需之按壓力施加至組件，使得組件之元件不經歷任何局域或暫時峰值壓力。尤其要求在組件之擴散焊接或燒結期間防止此類型之局域峰值壓力，其中不同高度之若干電子元件在一個基板或工件載體上的範圍內。本發明之範圍內的電子元件應理解為半導體元件及電子切換群組，以及被動電元件，諸如冷卻部件，如冷卻板、PCB或連接部件，諸如電力接腳，例如銅接腳。組件為此類元件或此等電子元件連接至彼此。

以下主要係指壓力燒結，然而其亦包括就接合製程中所施加之溫度及壓力而言，可以與壓力燒結方法中相同或類似之方式實施的擴散焊接之所有態樣。

為了准許按壓力或壓力之可能的最均勻分佈，先前技術中提出使用壓力襯墊產生壓力，該等襯墊可操作地連接至具有不同高度之若干柱塞且將按壓力從壓力襯墊傳輸至組件。

此類型之通用燒結裝置描述於DE 10 2007 047 698 B4中。DE 10 2014 114 095 B4中揭示了具有壓力襯墊但無柱塞之另一燒結裝置。

EP 3 454 364 A1關於用於包封或燒結半導體部件之裝置，且展示組件配置於其間的上部工具及下部工具。上部工具將壓力施加單元展示為壓力襯墊，該壓力襯墊可填充有流體且具有可變內部壓力，其與柱塞（稱為間隔件）相互作用以用於向組件傳輸由壓力襯墊中之壓力增加產生之按壓力。上部工具具有帶有導引管之導引框架，在該導引框架中柱塞可以側向傾斜間隙沿著按壓力可軸向地移動。壓力介質設置於壓力腔室中，其中隔膜作為可撓性膜設置於壓力介質與覆蓋導引管的柱塞之間，以便抵靠壓力襯墊密封柱塞之導引管。壓力腔室連接至流體供應以實現壓力增加。

WO 2018/122 795 A1展示具有相同通用類型之燒結裝置，其中柱塞直接配置於汽缸中，以省去單獨的導引框架。

DE 10 2017 216 545 A1展示用於電子組件之燒結的具有上部工具及下部工具之燒結裝置。壓力襯墊包含中空空間及膜，且經由流體源經受可變內部壓力。壓力襯墊經由膜連接以按壓在導引框架GE內部軸向地導引之柱塞，以用於傳輸按壓力。

WO 2016/050 466 A1關於大體上類似之燒結裝置，其中用於壓力襯墊之容器以汽缸/活塞配置提供。

習知擴散焊接或燒結裝置之一個缺點為通常無法以充分均勻及並行方式將壓力或按壓力施加至待燒結或擴散焊接之組件上。壓力峰值或壓力梯度以及平行燒結層可導致個別元件經受局部負載或防止在各點處形成具有相同機械、電及/或熱特性之均勻接合層。已知擴散焊接或燒結裝置之另一缺點可為，按壓力並未以同時及平行方式積累，亦即，有可能壓力相較於其他更早地累積於某些區域中，結果為按壓持續時間可在空間上變化，此使得受控制程更困難且因此亦可導致品質變化。具有導引按壓柱塞之習知擴散焊接或燒結裝置之另一缺點為必須對壓力空間或壓力襯墊提供昂貴的密封膜或密封件（其易於磨損且不允許按壓工具之快速且廉價的重設）。

本發明之目標為指示經組態以在至少一個組件，尤其複數個組件上產生在空間及時間均勻的按壓力之擴散焊接及/或燒結裝置。

該目標藉由具有如請求項1之特徵的擴散焊接及/或燒結裝置來達成。擴散焊接及/或燒結裝置之有利實施例在附屬申請專利範圍中給出。

本發明設置上部工具具有導引框架，在該導引框架中柱塞沿著按壓力之有效方向可軸向地移動。柱塞在抵靠壓力襯墊密封時在導引框架內部可移動地被導引。導引框架及在其中被導引之密封柱塞因此抵靠按壓表面密封壓力襯墊且防止對壓力襯墊之任何損壞。柱塞之軸向導引確保擴散焊接或壓力燒結所需之按壓力以就時間及空間兩者而言所需的均勻性從壓力襯墊傳輸至待燒結的或焊接之組件上。柱塞可為可加熱的或准許熱能快速傳輸至待燒結的或焊接之組件上。在任何情況下，傳輸可選擇性地發生且可能比先前用大表面個別柱塞，尤其使用具有壓力襯墊（特定言之，矽襯墊）之個別柱塞更快。柱塞因此在按壓力之有效方向上或相對於按壓力之有效方向可移動地被導引。此處，柱塞可至少歸因於其幾何設計而施加可選擇性地設定之按壓力且直接機械地連接至彼此。

密封可由壓力襯墊與導引框架之間的密封膜或柱塞之上側或由導引框架中之柱塞導引內部的柱塞之密封部件來達成。

壓力襯墊較佳地包含由可撓性、可彎曲及/或可拉伸襯墊膜限制且填充有不可壓縮或可壓縮流體或可移位介質（諸如，凝膠或類似者）之容積。流體或可移位介質可存在於壓力襯墊中，及/或在擴散焊接及/或燒結操作之前或期間，可例如以水壓供應形式從外部供應或補充。固持於壓力襯墊之容積內部的均衡介質通常可為流體或另一黏性介質，亦即可移位物質，諸如彈性體，例如矽酮、熱油、導熱膏或導熱油脂。所用流體可例如為液壓油，且亦可為矽酮或全氟聚醚（PFPE）。稱為Galden HS260之PFPE具有260℃之沸點，且可例如在壓力襯墊之任何洩漏的情況下藉助於定期提供之真空泵抽出。

壓力襯墊亦可填充有氣體或粉末，或例如以箔（諸如，石墨箔）形式提供，或設計為軟金屬，尤其比鐵軟的金屬，例如鋁、鉛、金、銦、銅、鉑、銀、鋅或錫。諸如石墨箔之薄彈性箔亦可用於在上部柱塞與下部柱塞之間產生平行度。一般而言，流體亦可為氣體，例如氮氣。此外，其他氣態物質，尤其同樣蒸汽之使用為可能的。該流體可因此較佳地為氣體或另一可移位介質，且例如為PFPE（Galden）、矽酮、CO ₂、氬氣、氮氣、氦氣、Igumix（氣體混合物）及彈性體、油、油脂及/或氣體之混合物或組合。容積可為自含式的或亦具有通路，流體可經由該通路供應或移除，如以下結合較佳實施例所描述。

較佳地，壓力襯墊可設計為矽酮襯墊。

根據本發明之有利實施例，上部工具具有至少一個壓力單元，該至少一個壓力單元具有用於壓力襯墊之容器。較佳地從若干側圍封壓力襯墊之容器將襯墊固持在工作位置中且固持在無按壓力施加於組件上之擱置位置中，且藉由對壓力襯墊之穩定支撐確保按壓力之均勻化。可提供若干壓力單元，尤其當各壓力單元接納用於個別柱塞之壓力襯墊時，每一個別柱塞具有相對較大柱塞表面，如例如在軟柱塞中之情況。與硬柱塞不同，軟柱塞由柱塞表面上之軟材料（諸如，矽酮）或軟金屬之柔軟材料組成。

根據另一有利實施例，壓力單元具有面向下部工具且由導引框架覆蓋之開口，其中壓力襯墊擱置於導引框架上。因此，開口允許壓力襯墊實現與導引框架中導引之柱塞的可操作連接。導引框架同時提供進一步支撐以補充壓力單元中之容器的支撐。

根據另一有利實施例，壓力單元具有汽缸及可移動地收納於其中之活塞，其中汽缸及活塞界定用於壓力襯墊之容器，使得容器之容積可藉由移動活塞而變化。將活塞插入至汽缸中因此引起容器之容積減小，藉此增加壓力襯墊中存在之壓力。此壓力增加產生擴散焊接或壓力燒結所需之按壓力。若使用個別柱塞或所謂的多柱塞，則汽缸可同時充當導引框架，如下文所解釋。

當活塞移動至汽缸之外時，容器之容積再次增加，且壓力襯墊中存在之壓力下降，藉此減小按壓力。

就此而言，當開口設置於活塞中時為較佳的。該活塞因此位於壓力單元之面向下部工具之一側上且例如設計為環形活塞。

根據另一有利實施例，上部工具及下部工具可沿著按壓力之有效方向相對於彼此移動，其中當上部工具接觸下部工具或擱置於下部工具上之工件載體時，活塞移動至汽缸中。按壓力以此組態，亦即，藉由上部工具與下部工具之間的相對移動間接地產生。此相對移動可藉由適合手段，例如藉由液壓或軸驅動來達成。因此，間接地或被動地達成活塞相對於汽缸之移動；不需要實現活塞與汽缸之間的此相對移動之直接驅動。活塞較佳地連接至導引框架。因此，不增加壓力襯墊中之壓力，直至上部工具與下部工具或安裝於其上之工件載體接觸為止，該工件載體承載待燒結之電子組件。

根據本發明之有利實施例，壓力襯墊連接或可連接至流體源以用於將流體供應至壓力襯墊中，其中壓力增加可藉由流體供應來實現。流體可為液體或氣體。流體源可為可加熱的及/或可冷卻的，使得經供應流體可用於加熱及冷卻。特定言之，流體源可包含熱交換器，尤其用於調節流體溫度之管狀熱交換器。可設想到，液態金屬亦用作流體。流體或可移位金屬可例如以熱液態倒入，隨後固化，且在燒結設施安裝之後，可由燒結設施之加熱器液化且因此保持液態或液化。舉例而言，此處可使用錫焊料以匹配燒結處理溫度。

替代地或除上文所描述之容器之容積由於活塞移動至汽缸中而改變以外，壓力襯墊中之壓力亦可藉由將其他流體供應至壓力襯墊來增加。舉例而言，流體源可為用於流體適合於達成流體供應之泵或另一適合的儲集器。流體可呈液體或氣體形式，其中PFPE（Galden）例如適用作流體，其可以液體及氣體兩種形式有利地用作壓力均勻化流體。若流體源額外提供至上文所描述之汽缸/活塞配置，則將流體供應至壓力襯墊中可實現進一步壓力增加，即使活塞進一步移動至汽缸中不再有可能或需要，例如因為對移動距離之機械限制已生效。

較佳地，PFPE可用作呈液體形式，及然而取決於溫度範圍，亦呈氣體形式的流體，且用於熱量傳輸及壓力均衡。PFPE為在室溫下通常為液體至糊狀的一組塑膠；尤其沸點為例如260℃之全氟聚醚，亦稱為Galden HS260（HS260=260℃沸點），用於氣相焊接。熱油之關鍵優點為在壓力襯墊之膜破裂或洩漏之情況下，逸出流體對該等元件無害。流體亦可藉助於真空在真空腔室中蒸發且經由真空泵泵吸出腔室。

根據另一有利實施例，導引框架包含具用於柱塞之軸向導引的導引管之柱塞導引板。導引管較佳地在按壓力之有效方向上至少經由柱塞導引板延伸且確保柱塞側向導引，藉此允許相對於組件之元件準確地定位柱塞。柱塞導引板可設計成一個片件或兩個或更多個片件。

根據另一有利實施例，至少一個可撓性膜配置於壓力襯墊與柱塞之間。膜在此處充當一種額外機械保護層，從而尤其防止壓力襯墊在對柱塞施加壓力期間被局部壓力峰值無意損壞。

就此而言，已證明膜覆蓋導引管為有利的。此尤其防止壓力襯墊壓入可能存在於柱塞與導引管之壁之間的任何間隙中。此確保可完整獲得壓力襯墊中之壓力增加以產生作用於按壓柱塞之有效橫截面的按壓力，且並不導致壓力襯墊局部凸出至任何間隙或空腔中。

根據另一有利實施例，導引框架具有膜固持板，該膜固持板配置於柱塞導引板之面向壓力襯墊的一側上，其中膜固持於膜固持板與柱塞導引板之間。膜固持板因此將膜固定於柱塞導引板上，且特定言之亦確保膜之額外預張力。

就此而言，已證明當膜固持板具有至少經由導引管延伸之至少一個穿透件時為有利的。穿透件可設計為僅在其周邊區域中覆蓋柱塞導引板之大中心穿透件，且在膜固持板與柱塞導引板之間存在固定膜。然而，膜固持板較佳地具有若干單獨的穿透件，各穿透件與單個導引管或較佳地與一組導引管相關聯。特定言之，穿透件之大小及配置對應於相關聯基板之大小及配置，電子元件將藉由擴散焊接操作或壓力燒結操作與該相關聯基板連接。導引管因此不由膜固持板之實心區段覆蓋，以使得柱塞可經由膜與壓力襯墊可操作地連接。

根據另一有利實施例，柱塞永久地或可拆卸地連接至膜，較佳地接合至膜。柱塞與膜之間的連接確保當擴散焊接及/或燒結裝置處於上部工具與下部工具相隔一距離之擱置位置時，柱塞無法自導引框架向下下降。

根據另一有利實施例，上部工具具有用於柱塞之至少一個緊固裝置，該緊固裝置緊固柱塞以免從導引管掉落。

就此而言，已證明當膜為磁性的且緊固裝置包含連接至柱塞且較佳地整合至柱塞中之各別磁性部件，其將柱塞固持於膜上時為有利的。因此，磁性部件可移除地或可拆卸地固持於膜上。此具有以下優點：當擴散焊接及/或燒結裝置必須調整至具有與先前經處理組件不同之尺寸，尤其不同高度之元件的其他組件時，柱塞及膜兩者皆為可再使用的。此處優於永久地接合之柱塞的優點尤其為可能僅需要重新置放柱塞中之一些。其減少設定時間及成本。磁性膜可為緊固裝置之一部分。磁性部件亦准許容易的重組態，從而產生可調整至變更之組件組態的用於柱塞之快速改變系統。舉例而言，單個組件或複數個組件有規律地配置於工件載體中，該工件載體在處理期間經由擴散焊接及/或燒結裝置導引。組件類型或工件載體內部之配置中之變化使得柱塞配置之重組態成為必要。尤其使用磁性部件之快速改變系統將使得此相當簡單且不那麼昂貴。

根據替代實施例，緊固裝置包含安裝於柱塞導引板中且延伸穿過設置於柱塞中之凹口的各別緊固銷。亦藉由此組態，可執行柱塞之替換。緊固銷較佳地在凹口內部具有足夠間隙，使得保證用於擴散焊接及/或燒結操作之柱塞之所需軸向可移動性。為此，凹口可例如設計為槽。緊固銷較佳地以其縱向軸線在由柱塞導引板之主要延伸方向界定之平面內部延伸。用於緊固銷之適當安裝凹口或凹槽（例如，呈凹陷形式）可在柱塞導引板中製成。為了允許柱塞或緊固銷之裝配及/或替換，柱塞導引板可設計成具有上部及下部柱塞導引板之兩個部分。

根據本發明之另一有利實施例，柱塞以側向間隙固持在導引管中。若待燒結之元件與柱塞之間的接觸表面歸因於生產公差而不完全平行，則柱塞在導引管中之側向間隙准許柱塞之輕微傾斜以便達成接觸表面之間的平行度。因此，防止對元件施加不均勻壓力且降低發生壓力峰值之風險。間隙可為大約1 µm至1 mm且可尤其設計為柱塞與導引管之間的平行間隙。

通常，一或多個柱塞具有圓形橫截面形狀。在另一實施例中，柱塞可具有橢圓形、方形或矩形橫截面。柱塞之引導側，亦即橫截面拐角區域在此處較佳地為圓形以防止局部壓力峰值。柱塞受面向壓力襯墊之柱塞上側、面向按壓側及待按壓之元件的柱塞下側及在導引框架內部被導引之軸向柱塞外護套限制。柱塞外護套之側表面稱為導引側且在導引管內部被導引。導引側之邊緣過渡有利地圓化以確保導引而不傾斜。尤其柱塞下側以及整個柱塞橫截面之矩形或方形設計准許柱塞橫截面被調整成待燒結元件，尤其具有矩形或方形外殼形狀之高效能半導體元件之典型設計，且允許多柱塞單元具有沿著彼此導引之複數個相鄰且互相密封的柱塞，而柱塞之間不產生任何間隙，使得不具有用於導引框架之限制壁的多柱塞單元抵靠壓力襯墊形成封閉密封表面。多柱塞單元可由金屬箔抵靠壓力襯墊密封，其中此外有可能將多柱塞單元之個別柱塞磁性地連接至金屬箔。

關於以上實施例，導引框架，尤其柱塞導引板具有方形或矩形形式，且導引管具有方形或矩形橫截面形狀可為更有利的。此達成壓力襯墊藉由導引框架及藉由在密封導引管內部被導引之柱塞密封，甚至無額外膜用於密封亦如此。矩形或方形形狀允許相對於按壓力更好地使用表面，且相較於圓形形狀，可以每表面相同的力處理更多元件。

在有利的實施例中，一或多個導引管可固持複數個可封閉地相鄰之柱塞，該等柱塞較佳地可沿著彼此導引。此實施例提議作為柱塞封裝之多柱塞單元，其中導引框架具有一或多個導引管且若干柱塞在一個導引管中被導引。柱塞在此以自密封方式在導管內部沿著彼此軸向地導引且具有允許多柱塞表面在導引管橫截面上進行平面密封的輪廓。柱塞可因此具有彼此同心的形狀或以矩形或方形形狀彼此鄰近導引。亦可設想填充導引管之其他複雜橫截面形狀。此處有利的是，柱塞相對於彼此具有相同或不同長度，以准許按壓具有恆定或變化高度輪廓的元件。

在另一有利實施例中，柱塞在面向壓力襯墊之上部導引側區段上可具有由比柱塞材料更軟之材料，較佳地塑膠製成的滑動導引插入件。較佳地，全方位柱塞凹槽可在滑動導引插入件之上部邊緣與柱塞上側之間設置於柱塞上側上。滑動導引插入件可提供柱塞之面向壓力襯墊之上部區域抵靠導引框架或相鄰柱塞的高效密封，且可在磨損時以低成本替換。用於固定柱塞之滑動導引插入件亦可以非積極方式或積極方式將柱塞固定於導引板之導引管中。為了高效密封，已證實在滑動導引插入件之與柱塞上側之表面（壓力襯墊可在其中起作用）相對的上部末端上具有全方位柱塞凹槽，尤其由尖銳邊緣界定之柱塞凹槽為有利的。若滑動導引插入件之材料由比柱塞材料更軟的材料（通常塑膠與金屬）組成，則柱塞材料通常具有較高熱膨脹係數，且因此在較高溫度下更好地密封。另外，較軟材料可確保柱塞相對於元件或組件之表面平行對準。歸因於全方位柱塞凹槽，壓力襯墊材料（例如，矽酮）流動至柱塞凹槽中，且將滑動導引插入件壓靠在導引管之外壁上。此外，若滑動導引插入件面向柱塞導引側之表面具有摩擦減小表面輪廓，例如成型波紋表面，則軸向柱塞移動以減小之阻力密封且滑動導引插入件保持在柱塞之導引側上的適當位置。滑動導引插入件可較佳地基於3D列印技術製造，且特定言之經列印或射出成型至直接地鄰近於柱塞凹槽之上部全方位柱塞導引側區段上。有可能藉由滑動導引插入件之材料的增加之熱膨脹係數形成導引板之導引管內部的可靠密封。藉由使用滑動導引插入件，可達成對壓力襯墊之密封效應，其非常有效，可省去作為密封部件之膜。如上文所提及之多柱塞單元可有利地用作柱塞，其中在滑動導引插入件之上部末端處，金屬箔可提供對位於其上之壓力襯墊的密封。此外，多柱塞單元之個別柱塞可以非積極連接方式磁性地固定在金屬箔上。

在另一有利實施例中，柱塞在柱塞下側上之橫截面可比在柱塞上側上的橫截面更小或更大。柱塞上側與柱塞下側之不同表面橫截面准許壓力增加或減小以及亦准許壓力襯墊之高效密封。待燒結之元件區域可適應性地以增加或減小之壓力按壓，且柱塞下側之橫截面輪廓亦可適應於元件幾何結構之特定要求。

在另一有利實施例中，活塞可在抵靠汽缸密封時可移動地被導引。活塞用於增加壓力襯墊中之壓力，因此將柱塞從上部工具壓向下部工具之方向。藉由結束上部及下部工具之移動，活塞傳輸至壓力襯墊之按壓力施加於可在汽缸內部移動且擱置於下部工具上，尤其組件或工件載體上之活塞上。對於密封，柱塞可例如使用較大膜，尤其使用金屬膜抵靠壓力襯墊密封於導引板中，或各柱塞可例如使用膜區段或藉由柱塞處之額外密封部件而單獨地或作為群組而與壓力襯墊相抵地密封於導引板內部。柱塞在此可由壓力襯墊，尤其矽酮襯墊之下側形成，該壓力襯墊直接或藉由插入製程覆蓋物，諸如燒結箔或類似者按壓組件。燒結箔可輔助上部工具之柱塞相對於下部工具上之元件或組件的表面的平行對準。此外，燒結箔可防止矽酮材料與元件表面之黏合。活塞亦較佳地形成為環形活塞，且較佳地包含較硬材料，尤其鋼之活塞裙部及較軟材料，尤其塑膠之積極地固持於活塞裙部中的活塞密封插入件。較軟材料之活塞密封插入件可歸因於加熱及施加壓力而密封壓力腔室之開口中的壓力襯墊，使得其無法在壓力單元之活塞與汽缸之間的間隙凸出。當調整壓力襯墊之壓力、溫度及材料時，活塞密封插入件之材料選擇可確保壓力襯墊在施加壓力時密封於汽缸中。此外，活塞密封插入件歸因於其屈服及軟特性而輔助柱塞表面平行對準於元件表面且用於上部工具之柱塞表面與下部工具之元件表面平行對準。汽缸橫截面形狀可較佳地為圓形以提供壓力之均勻分佈。然而，藉由使用活塞密封插入件，可設想到橢圓形、方形、矩形、多邊形或其他汽缸橫截面形狀，當適應於待處理之組件時，其尤其准許組件在工件載體上之緊密及空間節省配置及即使在高溫及高壓下之高生產率。橫截面形狀，尤其具有圓形邊緣區域之方形或矩形橫截面形狀較佳地用於永久地確保活塞/汽缸密封相對於壓力襯墊之緊密性。環形活塞可具有來自汽缸壁之間隙以准許環形活塞在汽缸內部滑動，其中歸因於上述密封，可防止壓力襯墊材料（即使無中間膜）至環形活塞與汽缸之間的間隙中的任何穿透件。在環形活塞之內部中，壓力襯墊有可能與活塞密封插入件之內壁無間隙接觸。在此程度上，柱塞在此實施例中在導引管內部無由環形活塞之內壁形成的間隙情況下導引。

在另一有利實施例中，活塞裙部可在其面向上部工具的活塞上側上具有密封座，活塞密封插入件之凸緣區域接合於密封座中，使得可形成全方位密封凹槽。壓力襯墊可較佳地在上側上具有全方位密封邊緣，當壓力施加至活塞時，可迫使其進入活塞之密封凹槽中，且形成密封縫。歸因於活塞密封插入件之凸緣區域接合於活塞裙部之密封座中，首先有可能積極固持活塞密封插入件，且其次形成密封凹槽，該密封凹槽提供用於壓力襯墊之移位的空間，使得壓力襯墊相對於活塞與汽缸之間的間隙的自密封效應歸因於密封凹槽而保證。活塞密封插入件在磨損時或在重置時可易於替換。

在另一有利實施例中，活塞及壓力襯墊可與柱塞相關聯，特定言之，柱塞可設計為軟柱塞且可較佳地由壓力襯墊提供，或活塞及壓力襯墊可與複數個柱塞相關聯。在此實施例中，提議一或多個壓力單元可配置於上部工具中，其中各壓力單元具有個別柱塞。若壓力單元實質上由具有收納的壓力襯墊之汽缸、環形活塞及導引框架組成，則各壓力單元可形成個別柱塞。壓力襯墊之下側可例如充當軟柱塞，例如作為矽酮柱塞，而且設計為具有硬柱塞表面之硬柱塞。替代地，單個大壓力單元可配置於上部工具中，其中複數個小柱塞可配置於導引框架中。

在從屬態樣中，提議設計為前述擴散焊接及/或燒結裝置之上部工具或下部工具的按壓工具。此包含：硬性底板；及至少一個膜，其在按壓表面的方向上連接至底板，且由較佳地由矽酮或鋼合金製成之可撓性，較佳地盤形狀之膜或數個膜區段形成，或導引框架，其具有在其中可移動地被導引之密封柱塞，且具有較佳地包含填充有流體且配置於由底板及膜限制之封閉收納空間中的壓力襯墊之壓力腔室，或該導引框架具有密封柱塞，其中導引框架在按壓表面之方向上封閉壓力襯墊且導引柱塞。膜及/或柱塞密封件抵靠按壓表面密封壓力腔室/壓力襯墊，較佳地矽酮之壓力腔室/壓力襯墊，且准許柱塞配置在膜表面/導引框架上，其中例如在金屬膜之情況下促進磁性固定，然而，可設想到諸如栓固、焊接或鉚接連接或類似者之其他連接方法。

在有利的開發中，先前所描述之按壓工具之壓力腔室的子區域，尤其固持於壓力腔室中之壓力襯墊的至少一個子區域，可設計為可控地由流體填充，尤其由氣體填充。較佳地，流體填充可藉助於至少一個填充閥控制。歸因於壓力腔室之子區域（尤其子區域）的流體填充（尤其氣體填充），除了藉由按壓機械地施加之按壓力之外或作為替代方案，按壓力亦可由填充至壓力腔室中之流體產生。因此，例如，當在處理腔室中減小壓力或產生真空時，藉由將處理腔室的大氣氣體（必要時，諸如氮氣等的沖洗氣體）引入壓力腔室的子區域中，壓力腔室經由膜或藉由移動密封按壓柱塞膨脹。此在無機械操作按壓柱塞之液壓機的元件上產生相對較低但在許多狀況下足夠的壓力，例如對於接合方法，對於利用銀或銅的低壓燒結、對於在例如高達0.4 MPa下之擴散焊接、對於在例如高達0.1 MPa下之熱壓接合等。因此，僅僅藉由在處理腔室及/或壓力腔室中設定經界定處理大氣，即可將可精確定量的按壓力施加至元件上，此不可能使用機械按壓藉由下部工具及上部工具相對於彼此的移動來施加。

藉由前述實施例，另外或替代地，可將按壓工具以低成本且容易地以壓力施加的較小工作量提供給按壓驅動器。此係因為為了補償元件上之零件的高度差，可使用製程中通常所需的處理腔室中之氣體壓力及處理大氣或真空來將所需且受控的燒結壓力或擴散焊接壓力或接合壓力施加於元件上。

為此，無需額外的力量測系統或壓力量測系統，此係因為真空壓力感測器及簡單軟體區域轉換足以獲得所需的且所設定的燒結壓力或擴散焊接壓力或接合壓力。

由於真空腔室經由按壓工具在真空中對元件施加壓力，因此可在該製程期間連續地監測氧氣是否從外部穿透至真空腔室中，此係由於未預期的腔室壓力的增加可立即被偵測到。此確保熱元件，尤其銅表面不氧化。元件之壓力監測可使用例如包含於按壓驅動器中之測力器執行。舉例而言，可偵測到柱塞之黏附。

在另一從屬態樣中，提議包含前述擴散焊接裝置及/或燒結裝置及/或前述按壓工具之擴散焊接設施及/或燒結設施。提議擴散焊接裝置及/或燒結裝置及/或按壓工具配置於多模組系統的大氣密閉模組中，尤其真空模組中，其中至少一個其他模組設置為預加熱及/或冷卻模組。另外，提供一種輸送裝置，其經組態以經由多模組系統藉由至少一個組件自動地移動至少一個工件載體，尤其下部工具。多模組系統之相鄰模組亦可相對於彼此可大氣密閉地密封。

換言之，提議多模組系統，其包含至少一個大氣密閉模組，尤其真空模組，該模組包含上述燒結或擴散焊接裝置及/或前述按壓工具。在此燒結/擴散焊接模組內部，燒結及/或擴散焊接製程可在可特定設定之大氣條件下，尤其在真空中執行以消除氧化製程。至少一個其他模組可組態為用於減少製程時間及用於特定預處理及/或後處理，例如用於尤其使用諸如電漿、甲酸、氮氣等之處理氣體進行清潔及用於溫度調整之預加熱模組及/或冷卻模組。支撐至少一個、尤其若干組件或元件之工件載體可由例如傳送帶系統之輸送裝置經由模組導引。整個下部工具亦可藉助於輸送裝置穿過多模組系統。模組之過渡可為可密封的以大氣地密封，例如可藉助於氣鎖密封，使得可在每一模組中單獨地設定大氣、壓力及溫度。多模組系統可經設計以用於在流動生產中進行分批操作且作為輸送量系統，其中輸送裝置使組件通過多模組系統，或將其傳入及傳出。

在例示性實施例及組態之以下描述中，相同或類似部件用相同參考編號指示。

圖1及圖2展示用於藉助於壓力燒結連接複數個電子組件12之元件的例示性燒結裝置10。然而，亦有可能僅燒結單個組件12。出於清晰之原因，圖1及圖2各自僅展示單一組件12，其包含基板12A及若干不同大小之電子元件12B。

燒結裝置10包含可沿著由雙頭箭頭R所展示之按壓方向R相對於彼此移動的上部工具14及下部工具16。出於清晰之原因，未展示燒結裝置10之其他元件，諸如用於工具14、16之調整裝置或固持裝置。

上部工具14及下部工具16可為可加熱的，其中為更簡單起見，此處僅展示設置於下部工具16上之一個加熱裝置17。

根據組態待燒結之組件12可固持於工件載體18中，該工件載體較佳地可以自動化方式插入至燒結裝置10中以用於藉助於適當的輸送裝置進行簡化工件改變，置放於下部工具16上，且在燒結完成後再次從燒結裝置10移除。

上部工具14包含界定用於完全填充容器22之壓力襯墊24的收納空間或容器22之壓力單元20。壓力襯墊24界定容積，其藉由不透流體及可撓性包封或襯墊膜圍封，且填充有流體，例如彈性體，諸如矽酮或油脂，或亦填充有氣體。包封可例如由經塗佈之玻璃纖維或芳綸纖維織物（克維拉（Kevlar））製成。塗層可例如使用聚四氟乙烯（PTFE）製造。

壓力單元20包含汽缸28，其中活塞30沿著按壓方向R可移動地被導引。容器22在面向下部工具16之下側上具有開口26，該開口在範例中在活塞30內部延伸，使得活塞30形成一種類型之圓柱形環形活塞。容器22在開口26之區域中由具有若干導引管42之導引框架40限制，在該等導引管中之各者中，一或多個柱塞60沿著按壓力之有效方向，亦即在按壓方向R上可軸向移動地被導引。柱塞60較佳地由具有良好熱傳導之耐性材料製造，例如由鋼或亦由另一金屬或金屬合金製成。導引框架40藉助於適合的連接部件（例如，接合或夾持部件）固定至活塞30，或栓固至活塞30，從而允許替換導引框架40。

覆蓋導引管42之可撓性膜50配置於容器22與壓力襯墊24之間。在圖1及圖2中所展示之範例中，膜展示為連續膜50，其中根據下文更詳細地描述之修改，膜亦可拆分成若干單獨的膜區段50A（圖5及圖7）。膜50或膜區段50A亦可例如由經塗佈之玻璃纖維或芳綸纖維織物（克維拉）製造，且必要時使用聚四氟乙烯（PTFE）或另一材料來塗佈。

以下闡述燒結裝置10之操作模式。如圖1中所展示，在組件12或工件載體18已置放於下部工具16上之後，上部工具14及下部工具16首先移動為彼此更接近，此可藉由上部工具14或下部工具16之移動來達成。在圖1中所展示之情況下，具有導引框架40之上部工具14僅僅向下設定於下部工具16上，或更精確地設定於安裝於下部工具16上之工件載體18上。

一旦導引框架40已向下設定在工件載體18上，則容器22之容積隨著上部工具14及下部工具16移動得更靠近在一起而減小，此係因為活塞30移動至汽缸28中。同時，壓力累積於壓力襯墊24中，壓力在朝向組件12及離開導引管42之方向上移動或移位柱塞60。壓力襯墊24以及膜50之包封此處很大程度上調整導引框架40或柱塞60之上側的輪廓。

一旦柱塞60與元件12B接觸，即累積特定壓力，該壓力最初仍極低，直至所有元件12B已由相關聯柱塞60接觸為止。壓力襯墊24准許液壓均衡，使得直至所有柱塞60與相關聯元件12B接觸，壓力襯墊24內部之主要壓力升高才發生。因此，達成按壓力/壓力之同時及均勻累積，使得組件12之壓力燒結以極均勻方式進行。為判定壓力，燒結裝置10可具有適當的感測器。從設置於上部工具14中之加熱裝置（圖中未示）至組件12之熱傳輸可藉由經由汽缸28、活塞30、壓力襯墊24、柱塞60、導引框架40及膜50之若干路徑達成。圖中未示之控制裝置可根據指定的製程調節來控制或調節諸如壓力、按壓持續時間及/或按壓溫度之製程參數。

在完成燒結操作之後，將上部工具14及下部工具16移動遠離彼此，使得具有組件12之工件載體18被釋放且可從燒結裝置10移除。

參考圖3至圖13，現更詳細地描述根據例示性實施例之燒結裝置10的各種元件及其修改。

圖3展示具有壓力單元20及固定於其上之導引框架40的上部工具14。工件載體18置放於下部工具16上，該工件載體含有用於在對應隔室中燒結之若干電子組件12。為了防止組件12積垢或污染，箔（圖3中不可見）可配置於工件載體18上且由置放於其上的箔固持環32緊固以防止不希望的滑動。為了防止箔固持環32隨後滑動，工件載體18可具有適當的凹陷或凹槽34。箔可改良上部工具14與下部工具16之間的平行對準以及高度均衡。

箔固持環32之直徑可經選擇以使得導引框架40擱置於工件載體18上之箔固持環32內部且因此並不與箔固持環32接觸。替代地，箔固持環之較小直徑亦可經選擇以使得導引框架40擱置於箔固持環32上，藉此在壓力單元20中產生壓力。

圖4展示圖3在側視圖中之配置，其中僅展示工件載體18，但不展示下部工具16。其可已自圖4可見，導引框架40為若干板之多部分構造，如下文更詳細地解釋。

參考圖5更詳細地解釋包括壓力單元20及導引框架40之上部工具14的構造。壓力單元20之構造對應於展示於圖1及圖2中之構造。圖5以及圖6說明導引框架40之多部分構造。導引框架40包含具有上部柱塞導引板46A及下部柱塞導引板46B之兩部分柱塞導引板46。導引管42延伸穿過柱塞引導引板46A、46B兩者。柱塞60在導引管42內部以一定側向間隙導引，使得柱塞60亦可在導引管42內部以一定程度傾斜。舉例而言，導引管42及柱塞60可具有方形橫截面，其中對於導引管42，邊緣長度可為8.00 mm且對於柱塞60，邊緣長度可為7.96 mm。此等尺寸僅為範例且決不具限制性。

活塞30可由如圖18a、圖18b詳細地解釋之滑動導引插入件166抵靠汽缸28密封。替代地，可使用如圖21a、圖21b中所展示之活塞密封插入件的密封原理。

此適度間隙確保進行可操作地連接之柱塞60及組件12之表面可視需要彼此平行對準，以防止在按壓力之施加期間形成梯度且進一步改良按壓均勻性。

如尤其在圖6中可容易地看出，膜固持板44配置於柱塞導引板46上方且具有若干穿透件48，該等穿透件與形成於工件載體18中以固持組件12之隔室36相關聯。各穿透件48可橫跨配置於其中之若干導引管42及各別柱塞60。

各穿透件48與較佳地略大於相關聯穿透件48之各別膜區段50A相關聯，使得膜區段50A可被夾持且固持在柱塞導引板46與膜固持板44之間的位置。

膜固持板44、上部柱塞導引板46A及下部柱塞導引板46B可栓固至彼此。

如圖7中可見，適當的凹陷54可形成於上部柱塞導引板46A之上側上且在其大小上匹配至相關聯膜區段50A。根據組態，凹陷54之深度可調整至膜區段50A之厚度，使得膜區段50A自凹陷54向上略微突起，且可因此藉助於膜固持板44夾持。

根據圖9及圖10中所展示之組態，膜固持板44對於各穿透件48可具有各別全方位密封邊緣56，該等密封邊緣離穿透件48之邊緣一距離且設計為在周邊側上夾持相關聯之膜區段50A的一種壓條。密封邊緣56可由設定至膜固持板44中之可撓性材料組成或由設置於膜固持板44上之對應突出物形成。

為了防止柱塞60在上部工具14升高時從導引管掉落，燒結裝置10可具有用於柱塞60之緊固裝置。

根據此緊固裝置之組態，膜50或膜區段50A可為磁性的，其可例如藉由將膜50或膜區段50A塗佈有鐵磁性或順磁性材料而達成。替代地，磁性材料亦可嵌入至呈微或奈米粒子形式之膜50中或膜區段50A中。

各別磁性部件62經設定較佳地在面向膜50之末端處嵌入至柱塞60中。由耐溫且永久性的磁性材料製造之此等磁性部件62與磁性膜50相互作用，且因此防止柱塞60從導引管42掉落。為了在必要時替換柱塞60，可藉由施加克服固持力之力而從膜50釋放該等柱塞。在此組態中，柱塞導引板46亦可設計為一個片件。

參考圖12及圖13描述導引框架40之另一組態，該導引框架具有用於柱塞60之替代緊固裝置。柱塞60配備有細長緊固銷66延伸穿過的各別槽狀凹口64。緊固銷66固持於形成於下部柱塞導引板46B之上側上的短凹槽52中。為了達成緊固銷66之緊固固持，對應凹槽（圖中未示）亦可設置於上部柱塞導引板46A之下側上。緊固銷66可夾持於上部柱塞導引板46A與下部柱塞導引板46B之間。

柱塞60中之凹口64經設定尺寸以使得保證燒結操作所需之柱塞60的軸向可移動性。緊固銷66可具有圓形或甚至矩形橫截面。各別緊固銷66亦可延伸穿過若干柱塞60（若出於空間原因此情形為必要的）。

根據本發明之另一態樣，圖14及圖15a或圖15b展示用於燒結裝置10之實施例的按壓工具70。按壓工具70展示為不具有導引框架40及柱塞60，其將在按壓表面92之方向上添加。按壓工具70可設計為上部工具及下部工具兩者，且包含底板72及遠離底板72延伸之圓柱形壁區段74。範例中的底板72之方形形狀及壁區段74之圓柱形形狀純粹為範例，且其可各自具有發散形狀。

由底板72及壁區段74界定之中空空間由金屬膜50封閉。膜50可例如藉由從金屬膜或金屬箔之深拉而製成為平坦或凹陷的，其中將鋼合金（例如，鉻-鎳-鋼合金）提供為用於膜50之較佳材料。柱塞60可經配置（例如，磁性地固定）於膜50之按壓表面92上。膜50在其背對底板72之側上接界中空空間，其中例如壓力襯墊90為可固持的。替代地，亦可在中空空間中接納支撐結構，例如機械軟或液態金屬、流體腔室或矽酮襯墊。膜50可具有全方位輪緣區段，其在側延伸遠至壁區段74，且其例如夾持於底板72與夾持環84之間。夾持環84可栓固至底板72，尤其固定至壁區段74之開放區段，且可固定膜50之較佳地盤狀輪緣區段。替代地，膜50可直接固定至壁區段74。可作為汽缸與壁區段74之內部周邊表面互動且以上文所描述之方式與壓力襯墊90互動的環形活塞76可置放於配置於夾持環84中之周邊凹槽中。

形成於底板72與膜50之間的中空空間界定用於壓力襯墊或壓力腔室90之在所有側上封閉的收納空間，參見圖9a、圖9b。此收納空間可形成例如填充有流體（例如，矽酮或油）之壓力腔室90，參見圖9a，或可插入壓力襯墊90，參見圖9b，其中壓力襯墊90可例如為用油填充的襯墊或矽酮襯墊或類似者。壓力襯墊90可例如具有螺紋插入件，從而允許壓力襯墊90栓固至底板72。

膜50之厚度經選擇以使得膜50在經由柱塞60與待連接之電子組件元件相互作用之按壓表面92的區域（圖中未示）中具有足夠彈性以變形適合尺寸且經由壓力襯墊90賦予相鄰元件之間的壓力均衡。膜50可具有均勻厚度，且亦可具有變化厚度之區域。膜50可因此在一些區域中增厚或變薄，且因此取決於待按壓之元件130的配置結構或柱塞60之配置而具有對應於不同壓力範圍之結構。圖14及圖15a、圖15b中所說明之大小比率未必按比例。特定言之，膜50之厚度亦可小於所展示之厚度。複數個個別膜50a可各自個別地覆蓋導引框架40之穿透件區域48，如圖5中所展示。

參考圖16，描述燒結裝置10之另一實施例，其中此連接中所描述之特徵可皆結合先前所描述之根據圖1至圖15之燒結裝置10的特徵來實現，且在其他大體上類似之燒結裝置中使用。

示意性地且未按比例展示於圖16中之燒結裝置10包含接收上部工具120之按壓軛112及設置於按壓軛112下方且固持下部工具122的按壓柱塞114，其可藉助於驅動器相對於彼此在方向R上移動，以便將按壓力施加至待連接且配置於按壓軛112之上部工具120與按壓柱塞114之下部工具122之間的電子組件元件130。驅動器可作用於按壓軛112及按壓柱塞114上且可設計為例如具有按壓驅動器34之液壓機。上部按壓工具70配置為按壓軛112之下側上之上部工具120，例如作為硬或軟工具，其中石墨箔140設置於按壓軛112與上部工具120之間，其可達成按壓軛112與上部工具120之間的壓力或梯度均衡程度以及平行對準及高度均衡。石墨箔140可調適其類型及厚度，類似彈性箔，使得當在上部工具與下部工具之間施加按壓力時其可達成上部硬工具120與下部工具122之間的平面對準。因此，藉助於石墨箔140可達成上部工具與下部工具之準確平行對準。

上部工具120可為硬工具或具有彈性燒結襯墊24之軟工具。作為上部工具120，先前所描述之上部工具14或圖15a、圖15b中所展示之按壓工具70或其組合是適合的。圖16展示作為上部工具120之範例的具有用於按壓燒結襯墊24之全方位環形活塞126之按壓工具70，其中燒結襯墊24經由膜50對在柱塞導引板46之穿透件48中導引的個別柱塞60起作用。柱塞60在此處與待燒結之元件130對準。

在按壓柱塞114之上側上的為加熱板124，除了一或多個加熱裝置以外，其亦可具有一或多個冷卻裝置。下部工具122（在其表面上具有用於彈性壓力襯墊90之容器）配置於加熱板124之上側上。替代地或另外，設計為軟工具之壓力襯墊24可設置於上部工具120中，使得上部硬工具120及/或下部工具122可由按壓工具70替換，如圖14、圖15a或圖15b中所展示。

待連接之元件130配置於壓力襯墊90上。具有連續金屬膜50及在導引框架之穿透件48中被導引之柱塞60之按壓工具70配置於上部工具中，該柱塞能夠對元件130施加燒結按壓力。視情況，一或多個分離箔可設置於元件130下方及上方以便防止黏附至壓力襯墊90或柱塞60。

圖17a至圖17c展示具有單個組件12以及與按壓工具70組合的元件130之擴散焊接及/或燒結裝置10之實施例，如例如圖8及圖9a、圖9b中所展示。處理腔室160包含上部工具14及下部工具16。上部工具14包含於按壓軛120中。

在下部工具16內部，按壓驅動器34經配置為可經由按壓柱塞114相對於經配置在上部工具14中的按壓工具70對固持在圖中未示的工件載體中的元件130施加進給移動。例如功率半導體零件（諸如，IGBT或類似者）的若干零件142配置在組件12之元件130上。元件130之零件142可具有不同高度，且應例如藉由冷卻結構及連接線在元件130上以擴散焊接、接合或燒結製程連接。元件130在此可覆蓋有用於防止積垢及用於保護之製程覆蓋物，例如箔或類似者，圖中未示。用於溫度調整之流體導管156（亦即，用於引導諸如油或空氣的加熱或冷卻流體）整合於按壓軛120中。

可具有用於加熱或冷卻之相同流體導管的加熱板124作為加熱裝置17配置於按壓工具70中。加熱板124為壓力腔室90之下端界限，其中可置放壓力襯墊。壓力腔室90具有腔室區域144，其可控制地藉由流體填充。流體可為氣體或液體。在此實施例中，規定腔室區域144填充有處理腔室160的大氣氣體，例如填充有諸如氮氣的清潔氣體或填充有空氣。為此，兩個填充閥146設置於按壓軛120中，以使得能夠經由閥致動器148相對於處理腔室160不透流體地封閉或打開壓力腔室90之腔室區域144。

壓力腔室90此外在下部工具之方向上受限制，其中金屬膜作為膜50。金屬膜可例如為鋼膜，例如形成為盤形狀之鋼片。由於流體填充腔室區域144，金屬膜可在處理腔室160的方向上向下凸出。

多柱塞單元150配置於膜50下方。多柱塞單元150包含導引板154，該導引板收納並導引若干按壓柱塞152。按壓柱塞152用於將按壓力選擇性地引入至元件130之可預界定區域中，且可在形狀及大小上適應於待引入按壓力的零件142之不同的幾何尺寸。在壓力施加（亦即，啟動按壓驅動器34）期間，按壓柱塞152在導引框架154內部在元件130之方向上移動以選擇性地施加按壓力。

在圖17a至圖17c中所展示之順序中，無論由按壓驅動器34產生之按壓力如何，壓力應藉由膜50歸因於處理腔室160與壓力腔室90的可填充流體的腔室區域144之間的壓力差向外凸出而施加。自腔室區域144與處理腔室160之間的壓力差判定壓縮力之大小，此引起膜50在下部工具16之方向上位移且藉此對元件130施加壓力。

在圖17a中所展示之第一處理步驟中，填充閥146處於上部位置中，使得腔室區域144流體地連接至處理腔室160。在第二處理步驟中，在處理腔室160中產生真空，此亦會在腔室區域144中產生真空。第一處理步驟及第二處理步驟展示於圖17a中。

在後續第三處理步驟中，處理腔室160充滿穿透至流體腔室90的腔室區域144中的諸如氮的清潔氣體。在第四處理步驟中，填充閥146隨後藉助於閥致動器148與處理腔室160不透流體地分離。此後，在第五處理步驟中，啟動按壓驅動器34直至具有元件130及經置放的製程覆蓋物（圖中未示）之工件載體（同樣圖中未示）與多柱塞單元150相鄰接觸為止。步驟三至五展示於圖17b中。

如圖17c中展示，在以下第六處理步驟中，將處理腔室160抽成真空。膜50在此處歸因於壓力腔室90之腔室區域144與處理腔室160之間的壓力差而向下凸出，且在元件130之方向上移動導引框架154內部之按壓柱塞152，使得壓縮力選擇性地施加於個別零件142上。此允許補償零件142之高度差，其中按壓力取決於壓力差而可精細地定量。

除了藉由按壓驅動器34施加的按壓力之外或作為替代方案，亦可施加由處理腔室160與壓力腔室90之間的壓力差產生的此壓力施加。可籍此產生之壓力通常低於藉助於按壓驅動器34施加之機械壓縮力且比該機械壓縮力可更精細地定量。接合方法、擴散焊接方法或低壓燒結方法可有效地由此支援。

圖18a、圖18b展示密封按壓柱塞152之兩個實施例。在圖18a中，將由諸如鋼之硬材料製成之按壓柱塞152軸向地安裝且在導引框架40之導引管42內部被導引。在導引框架40上方，配置壓力襯墊24（例如，矽酮）及/或可加壓壓力腔室90，其藉由導引框架40及在壓力襯墊24或壓力腔室之方向上密封的按壓柱塞152密封。按壓柱塞152具有面向待按壓元件12B之柱塞下側170及面向壓力襯墊24或壓力腔室90之柱塞上側168。按壓柱塞152之橫截面形狀可較佳地為方形或矩形，且可具有圓形拐角區域，使得至少一個柱塞下側170可調整成待按壓元件12B之大小。按壓柱塞152之軸向周邊具有接觸導引管42之內表面且在柱塞上側168之區域中具有柱塞導引側區段164的柱塞導引側162。柱塞導引側區段164可設計為徑向後退且可沿著其周邊固持呈密封插入件之形式的滑動導引部件166以填充凹口。滑動導引部件166可較佳地由耐熱塑膠、矽酮或如按壓柱塞152之材料的其他較軟材料組成，尤其由熱膨脹係數比柱塞材料高的材料組成。適合材料為例如高溫熱塑性塑膠，尤其在品牌名稱PEEK、、Tecapeek或Vespel下出售之聚醚醚酮或聚醯亞胺。此外，可使用包含例如石墨之材料，尤其具有高電導率及熱導率之塑膠。滑動導引部件166較佳地沿著柱塞導引側區段164射出成型或使用3D列印方法直接列印。在滑動導引部件166之上側過渡至柱塞上側168時，較佳地全方位柱塞凹槽174設定至柱塞上側168中，使得壓力襯墊24可穿透，且在由於按壓柱塞152之加熱引起熱膨脹的情況下，在導引管42之汽缸壁的方向上移位滑動導引部件166之上側且因此改良密封。

在圖18a中之範例中，柱塞下側170之表面相對於柱塞上側168之表面減小，使得壓力可增加。相比於彼情形，圖18b展示按壓柱塞152之範例，該按壓柱塞之柱塞下側170相對於柱塞上側168增加，以便減小壓力或按壓元件12B之較大表面。

滑動導引插入件166之部分立體剖面圖示亦展示於圖18b中之放大表示中。在面向導引管42之汽缸壁的側面上，滑動導引部件166具有摩擦減小之表面輪廓176，例如有槽輪廓，以使得按壓柱塞152相對於導引管42之外壁的軸向移動期間之摩擦減小。

圖19展示按壓工具70之另一實施例，其中如圖18a中所展示之按壓柱塞用作範例。一般而言，複數個此類按壓柱塞收納於按壓工具70中之一個共同導引框架中或若干導引框架中。按壓工具具有上部工具14及下部工具16。工件載體18可固持於下部工具16中。基板12A及元件12B可作為待連接之組件12配置於工件載體18上。視情況，可在燒結或按壓操作期間暫時將製程覆蓋物（例如，耐熱箔）配置於組件12與上部工具14之間（圖中未示）。

上部工具18包含導引框架40，該導引框架包含固持於導引管42中之一或多個按壓柱塞152。導引框架密封位於其上方抵靠組件12之壓力襯墊24。壓力襯墊24或壓力腔室90可使用填充閥146加壓或減輕壓力。兩個或更多個定位部件172（例如，索引桿）用於相對於下部工具14定位上部工具14及固定製程覆蓋物。定位部件172可使用圖中未示之位移單元移入及移出。

下部工具16可包含用於固持工件載體18之輸送框架，該工件載體可經由圖中未示之輸送單元上之燒結裝置10自動地傳輸。工件載體可置放於下部工具16中且從下部工具16移除。輸送框架可由導電及耐壓力材料（諸如，特殊鋼）組成，且例如可具有重量減輕之連接桿且亦可具有導電材料（諸如，鋁合金）。

另外，圖20以立體圖表示展示諸如可用於按壓工具70中之多柱塞單元150之實施例。一般而言，各按壓柱塞152在導引框架40之導引管42內部被導引。在此實施例中，若干壓力柱塞沿著彼此且在共同導引管42中軸向地導引。按壓柱塞可相對於彼此軸向地移動。可使用先前所描述之膜50或膜區段50A或使用針對各按壓柱塞152提供之滑動導引插入件166來達成對壓力腔室90（圖中未示）或壓力襯墊24之密封。可有利地使用金屬膜，其中個別按壓柱塞152可以非積極連接磁性地固定於金屬膜上。多柱塞單元150允許具有調整的長度及大小之個別按壓柱塞152按壓或燒結具有不同高度之緊密相鄰結構的組件12。亦可將壓力穩定遮罩置放於下部工具16上以允許個別按壓柱塞152穿過，同時阻止其他按壓柱塞152。對不同組件12之靈活調整可因此藉由使用下部工具16上之壓力遮罩而非調適上部工具之導引框架40來達成，從而尤其允許對用於小輪之各種按壓及燒結任務之靈活且廉價的調整。在圖18a、圖18b中所展示之概念中，有可能針對柱塞密封使用多柱塞單元150而非個別柱塞152。代替展示於圖18a、圖18b中之個別柱塞152，可使用複數個小的個別柱塞152，該複數個小的個別柱塞較佳地使用柱塞上側168上之金屬膜抵靠壓力襯墊24密封。個別柱塞152可磁性地黏附至金屬膜。因此，藉助於多柱塞單元150之小的個別柱塞152，有可能在複雜零件142中、在小的個別柱塞152之個別密封將不可能或僅困難地達成的元件130上按壓幾毫米之極小部分大小，例如具有5 mm邊緣長度或更小。

最後，圖21a、圖21b展示作為環形活塞76之方形活塞30之範例，及作為矽酮襯墊的壓力襯墊24作為範例。歸因於形成下部壓力襯墊側180之柱塞表面的方形形狀，柱塞形狀可以空間節省方式提供且調整至組件，尤其諸如IGBT之功率半導體之常見形狀。環形活塞76之導引側的側向邊緣經修圓以防止汽缸壁之區域中的峰值應力及提供活塞30在汽缸28中的密封效應。圖21a展示作為具有圓形側向邊緣或導引側之矩環形活塞76的活塞30之平面圖及截面圖A-A。活塞30包含由例如鋼之硬材料製成的活塞裙部184及由積極裝配於其中之軟材料（較佳地，塑膠）製成的活塞密封插入件186。軟材料輔助柱塞60相對於元件130或下部工具16上之組件之表面的平行對準。截面表示A-A展示向上摺疊在平面圖之指定檢視方向上穿過活塞30之區段。活塞30具有活塞上側198，當活塞30插入至汽缸28（圖中未示）中時，同時形成柱塞60作為軟柱塞之圖21b中所展示之軟襯墊24穿過活塞上側198且在活塞下側196離開，此係因為活塞30藉由擱置於組件12上、工件載體18上或下部工具16上，同時將上部工具14朝向下部工具16移動來減小壓力襯墊24之容積。在活塞上側198上，環形活塞76之活塞裙部184具有呈突出的全方位邊緣形式之密封座200。密封凹槽188藉由從活塞上側198積極裝配插入活塞密封插入件186來形成。此凹槽藉由位於密封座200中之凸緣區域190限制在活塞密封插入件186之側面上。當施加壓力時，軟壓力襯墊24穿透至密封凹槽188中，且防止壓力襯墊穿透至活塞30與汽缸28之間的間隙中。環形活塞76之上側198周圍的全方位上部邊緣（特定言之，沿著密封座200）經銳化以改良密封效應，而環形活塞76之下側196上的全方位下部邊緣經修圓以防止至零件或組件之峰值應力。

圖21b在仰視圖及截面圖B-B中展示壓力襯墊24，壓力襯墊24在此範例中設計為柱塞60，即所謂的軟柱塞。截面表示B-B必須被理解為沿著上部仰視圖之線B-B的向下摺疊表示。壓力襯墊24可設計為矽酮柱塞，且可在其內部中提供用於硬柱塞插入件（例如，金屬區塊）之凹口。壓力襯墊之下側180可形成柱塞按壓表面。密封邊緣192設置於壓力襯墊之上側182上。在首次使用按壓之後，藉由壓力襯墊24之密封邊緣192之材料移位至活塞30之密封凹槽188中來形成密封縫194，其中密封縫允許壓力襯墊之上側182抵靠活塞30及汽缸28（圖中未示）有效密封。

10:燒結裝置 12:組件 12A:基板 12B:元件 14:上部工具 16:下部工具 17:加熱裝置 18:工件載體 20:壓力單元 22:容器 24:壓力襯墊 26:開口 28:汽缸 30:活塞 32:箔固持環 34:按壓驅動器/凹槽 36:隔室 40:導引框架 42:導引管 44:膜固持板 46:柱塞導引板 46A:上部柱塞導引板 46B:下部柱塞導引板 48:穿透件 50:膜 50A:膜區段 50a:個別膜 52:凹槽 54:凹陷 56:密封邊緣 60:柱塞 62:磁性部件 64:凹口 66:緊固銷 70:按壓工具 72:底板 74:壁區段 76:環形活塞 84:夾持環 90:壓力襯墊 92:按壓表面 112:按壓軛 114:按壓柱塞 120:上部工具 120:按壓軛 122:下部工具 124:加熱板 126:環形活塞 130:元件 140:石墨箔 142:元件上的零件 144:流體腔室的可填充腔室區域 146:填充閥 148:閥致動器 150:多柱塞單元 152:按壓柱塞 154:導引框架/導引板 156:用於溫度調節的流體導管 160:處理腔室 162:柱塞導引側 164:柱塞導引側區段 166:滑動導引插入件 168:柱塞上側 170:柱塞下側 172:定位部件 174:全方位柱塞凹槽 176:摩擦減小的表面輪廓 180:壓力襯墊下側 182:壓力襯墊上側 184:活塞裙部 186:活塞密封插入件 188:密封凹槽 190:密封插入件凸緣區域 192:壓力襯墊密封邊緣 194:壓力襯墊密封縫 196:活塞下側 198:活塞上側 200:活塞裙部密封座 R:雙頭箭頭/按壓方向

其他優點自以下圖式描述顯現。圖式展示本發明之範例。圖式、描述及申請專利範圍以組合方式含有許多特徵。所屬領域中具通常知識者亦將個別地考慮該等特徵且將其組合成有用的其他組合。用於展示所展示之燒結裝置之範例可同樣用於擴散焊接裝置。 在圖式中： [ 圖 1] 及[ 圖 2]     展示根據範例之燒結裝置在不同工作位置中之示意性截面圖。 [ 圖 3]    圖1至圖2之燒結裝置在擱置位置中之立體圖， [ 圖 4]    圖1至圖3之燒結裝置在部分截面表示中的立體圖， [ 圖 5]    圖1至圖4之燒結裝置之側視圖， [ 圖 6]    圖1至圖5之燒結裝置之導引框架的立體圖， [ 圖 7]    圖6之導引框架之立體分解圖， [ 圖 8]    圖7之導引框架之元件的立體圖， [ 圖 9] 及[ 圖 10]   圖6及圖7之導引框架的各個視角的部分視圖， [ 圖 11]  根據組態的圖6及圖7之導引框架之截面表示中的立體局部圖， [ 圖 12]  根據另一組態之導引框架之立體圖，且 [ 圖 13]  圖12之導引框架之截面表示中的立體局部圖； [ 圖 14]  根據本發明的實施例之燒結裝置之按壓工具的分解表示； [ 圖 15a] ，[ 圖 15b]   經由根據圖14之實施例之變體的截面表示； [ 圖 16]  另一範例之燒結裝置之示意性側視圖； [ 圖 17a] 至[ 圖 17c]    根據範例之燒結裝置之若干處理階段中的另一按壓工具； [ 圖 18a] ，[ 圖 18b]   根據本發明之實施例的密封按壓柱塞之截面表示； [ 圖 19]  具有圖18a中所展示之密封按壓柱塞的按壓工具之實施例； [ 圖 20]  立體圖中具有相對於彼此密封的彼此相鄰且可移動柱塞的實施例之多柱塞單元； [ 圖 21a] ，[ 圖 21b]   本發明之範例的具有矽酮壓力襯墊之方環形活塞的平面圖及截面圖。

10:燒結裝置

12:組件

12A:基板

12B:元件

14:上部工具

16:下部工具

17:加熱裝置

18:工件載體

20:壓力單元

22:容器

24:壓力襯墊

26:開口

28:汽缸

30:活塞

40:導引框架

42:導引管

50:膜

60:柱塞

R:雙頭箭頭/按壓方向

Claims (28)

1. 一種用於藉助於擴散焊接及/或壓力燒結連接至少一個電子組件（12）之元件的擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10），其具有一上部工具（14、120）及一下部工具（16、122），該至少一個組件（12）固持於該上部工具與該下部工具之間，其中該上部工具（14、120）具有：至少一個壓力襯墊（24、90），其填充或可填充有內部壓力可變之一流體或一可移位介質；及至少一個、尤其若干柱塞（60、152），其可操作地連接至該壓力襯墊（24、90）且經組態用於將由該壓力襯墊（24、90）之一壓力增加產生的一按壓力傳輸至該等組件（12），其中該上部工具（14、120）具有一導引框架（40、154），其在該導引框架（40、154）中，該（等）柱塞（60、152）沿著該按壓力之有效方向可軸向移動地被導引， 其特徵在於該（等）柱塞（60、152）在抵靠該壓力襯墊（24、90）密封時在該導引框架（40、154）中可移動地被導引。
2. 如請求項1之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該上部工具（14、120）具有至少一個壓力單元（20），該壓力單元（20）具有用於該壓力襯墊（24、90）之一容器（22）。
3. 如請求項2之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該壓力單元（20）具有面向該下部工具（16、122）且由該導引框架（40、154）覆蓋之一開口（26），該壓力襯墊（24、90）擱置於該導引框架（40、154）上。
4. 如請求項2或3之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該壓力單元（20）具有一汽缸（28）及可移動地固持於其中之一活塞（30），其中該汽缸（28）及該活塞（30）界定用於該壓力襯墊（24、90）之該容器（22），使得該容器（22）之體積可藉由該活塞（30）之移動變化。
5. 如請求項3或4之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該開口（26）設置於該活塞（30）中。
6. 如請求項4或5之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該上部工具（14、120）及該下部工具（16、122）可沿著該按壓力之該有效方向相對於彼此移動，其中當該上部工具（14、120）接觸該下部工具（16、122）或擱置於該下部工具（16、122）上之一工件載體時，該活塞（30）移動至該汽缸（28）中。
7. 如請求項1至6中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該壓力襯墊（24、90）連接或可連接至一流體源以用於將流體供應至該壓力襯墊（24、90）中，其中該壓力增加可藉由該流體供應來實現。
8. 如請求項1至7中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該導引框架（40、154）包含具有用於該（等）柱塞（60、152）之軸向導引的導引管（42）之一柱塞導引板（46）。
9. 如請求項1至8中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於覆蓋該等導引管（42）之至少一個可撓性膜（50、50A）配置於該壓力襯墊（24、90）與該（等）柱塞（60、152）之間。
10. 如請求項8或9之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該膜（50，50A）覆蓋該等導引管（42）。
11. 如請求項9或10之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該導引框架（40、154）具有配置於該柱塞導引板（46）之面向該壓力襯墊（24、90）之一側上的一膜固持板（44），其中該膜（50、50A）固持於該膜固持板（44）與該柱塞導引板（46）之間。
12. 如請求項11之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該膜固持板（44）具有至少經由該等導引管（42）延伸之至少一個穿透件（48）。
13. 如請求項9至12中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該（等）柱塞（60、152）永久地或可拆卸地連接至該膜（50、50A），較佳地接合至該膜。
14. 如請求項8至13中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該上部工具（14、120）具有用於該（等）柱塞（60、152）之至少一個緊固裝置，該緊固裝置緊固該（等）柱塞（60、152）以免從該等導引管（42）掉落。
15. 如請求項13或14之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該膜（50、50A）為磁性的，且該緊固裝置包含連接至該（等）柱塞（60、152），較佳地整合至該（等）柱塞（60、152）中之各別磁性部件（62），該磁性部件（62）將該（等）柱塞（60、152）固持於該膜（50、50A）上。
16. 如請求項14之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該緊固裝置包含安裝於該膜固持板（44）中且延伸穿過設置於該（等）柱塞（60、152）中之凹口（64）的各別緊固銷（66）。
17. 如請求項8至16中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該（等）柱塞（60、152）以側向間隙固持於該等導引管（42）中。
18. 如請求項1至17中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該（等）柱塞（60、152）可具有一方形或矩形橫截面，其中該（等）柱塞（60、152）之導引側（162）較佳地為圓形。
19. 如請求項8或18之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該導引框架（40、154），尤其該柱塞導引板（46）具有一方形或矩形形狀，且該等導引管（42）具有一方形或矩形橫截面形狀。
20. 如請求項8之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於一或多個導引管（42）固持複數個緊密相鄰之柱塞（60、152），該（等）柱塞（60、152）較佳地可沿著彼此導引。
21. 如請求項1至20中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該（等）柱塞（60、152）在面向該壓力襯墊（24、90）之一上部導引側區段（164）上具有由比柱塞材料更軟之一材料，較佳地由塑膠製成的一滑動導引插入件（166），其中一全方位柱塞凹槽（174）較佳地在該滑動導引插入件（166）之上部邊緣與該柱塞上側（168）之間設置於該柱塞上側（168）上。
22. 如請求項1至21中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於柱塞下側（170）上之該（等）柱塞（60、152）具有比在該柱塞上側（168）上更小或更大之一橫截面。
23. 如請求項4至6中任一項之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該活塞（30）在抵靠該汽缸（24、90）密封時可移動地被導引，其中該活塞（30）較佳地形成為一環形活塞（76、126），且較佳地包含一較硬材料，尤其鋼之一活塞裙部（184）及一較軟材料，尤其塑膠之積極地固持於該活塞裙部（184）中的一活塞密封插入件（186）。
24. 如請求項23之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該活塞裙部（184）在其面向該上部工具（14、120）之活塞上側（198）上具有一密封座（200），該活塞密封插入件（186）之一凸緣區域（190）接合於該密封座中，使得形成一全方位密封凹槽（188），其中一壓力襯墊（24）較佳地在該上側（182）上具有一全方位密封邊緣（192），當壓力施加至該活塞（30）時，可迫使該全方位密封邊緣（192）進入該活塞（30）之該密封凹槽（188）且形成一密封縫（194）。
25. 如請求項23或24之擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）， 其特徵在於該活塞（30）及該壓力襯墊（24）與一柱塞（60、152）相關聯，尤其該柱塞（60、152）設計為一軟柱塞，且可較佳地由該壓力襯墊（24）提供或該活塞（30）及該壓力襯墊（24）與複數個柱塞（60、152）相關聯。
26. 一種設計為如請求項1至25中任一項之一擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）之一上部工具（14、120）或一下部工具（16、122）的按壓工具（70），其包含：一硬性底板（72）；及至少一個膜（50、50A），其在按壓表面（92）之方向上連接至該底板（72），該膜（50、50A）藉由較佳地由矽酮或一鋼合金製成之一可撓性的、較佳地為盤形狀的膜（50）或複數個膜區段（50A）形成；或一導引框架（40、154），其具有在其中可移動地導引之至少一個、尤其若干柱塞（60、152），且具有較佳地包含至少一個壓力襯墊（24、90）之一壓力腔室，該壓力襯墊（24、90）填充有一流體且配置於由該底板（72）及該膜（50、50A）限制之一封閉收納空間中，或該導引框架（40、154）具有至少一個、尤其若干密封柱塞（60、152），其中該導引框架（40、154）在該按壓表面（92）之該方向上封閉該（等）壓力襯墊（24、90）且導引該（等）柱塞（60、152）。
27. 如請求項26之按壓工具（70）， 其特徵在於該壓力腔室之至少一個子區域，尤其該壓力襯墊（24、90）之一子區域可控地可由流體填充，尤其可由氣體填充，且較佳地藉助於至少一個填充閥（146）。
28. 一種擴散焊接設施及/或燒結設施，其包含如以上請求項1至25中任一項之一擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）及/或如請求項26或27之一按壓工具（70）， 其特徵在於該擴散焊接裝置及/或燒結裝置（10）及/或該按壓工具（70）配置於一多模組系統之一大氣密閉模組中，尤其一真空模組中，其中至少一個其他模組設置為一預加熱及/或冷卻模組，且其中設置一輸送裝置，該輸送裝置經組態以經由該多模組系統藉由至少一個組件（12）自動地移動至少一個工件載體（18），尤其該下部工具（16），且其中該多模組系統之相鄰模組相對於彼此可大氣密閉地密封。

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