WO2014086519A1 - Verfahren zum verbinden von wenigstens zwei komponenten unter verwendung eines sinterprozesses - Google Patents

Verfahren zum verbinden von wenigstens zwei komponenten unter verwendung eines sinterprozesses Download PDF

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temperature
polymeric
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Andrea Feiock
Michael Guenther
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method of joining at least two components using a sintering process.
  • Power electronics are used in many areas of technology. Especially in electrical or electronic devices in which large currents flow, the use of power electronics is unavoidable. The currents required in the power electronics lead to a self-heating of the electrical or electronic components contained. In addition, the
  • Components of the power electronics be used in places that are constantly exposed to an elevated temperature. Examples include control units in the automotive sector, which are directly in the engine compartment or in
  • Gear compartment are arranged.
  • the control unit is also exposed to a constant temperature change, whereby the electrical and / or electronic components contained are subjected to high thermal loads.
  • temperature changes in a range up to a temperature of 200 ° C are common. However, more and more operating temperatures are increasingly required. This will increase overall
  • connection of electrical or electronic components - for example, to a carrier substrate - by a
  • Link layer As such a bonding layer are solder joints known, for example, lead-free solder joints of tin-silver or tin-silver-copper. At higher operating temperatures, lead-containing soldered joints can be used. However, lead-containing solder joints are by law
  • Lead-free brazing alloys Use at elevated or high temperatures, in particular over 200 ° C, lead-free brazing alloys.
  • Lead-free brazing alloys generally have a higher melting point than 200 ° C.
  • sintered connections which are already at low temperatures
  • Temperatures can be processed and yet are suitable for operation at elevated temperatures.
  • Such sintered connections offer the advantage of an increased choice of electrical or electronic
  • Sintered connections For the preparation of a sintered compound is a
  • Document EP 2 278 593 A1 discloses a sintered compound made from a paste containing particles of a silver compound.
  • the document US 2008/0211095 A1 also describes a semiconductor component which has a connection between a semiconductor element and an electrode which is configured by an electrically conductive adhesive.
  • the document US 6,832,915 B2 further discloses a thermally conductive adhesive bond between two components. From the document DE 10 2007 27 999 AI a transfer film for transferring a silver sintered layer is also known.
  • Components are mounted on a substrate by pressure sintering using a pasty layer.
  • Starting materials include, but are not limited to, molecular metals, numerous nano- or micro-sized metallic particles, coatings, solvents, additives, reducing agents,
  • the subject matter of the present invention is a method for joining at least two components using a sintering process, comprising the method steps:
  • sinterable particles comprising at least one metal or at least one metal compound, and at least one polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound, wherein the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound has a flow temperature greater than or equal to
  • Tl which is greater than or equal to the flow temperature of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound and less than the desorption temperature of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound for a time tl;
  • the above-described method can in particular make it possible to carry out a sintering process in a particularly simple manner and thereby to produce a particularly stable and reliable sintered connection.
  • a sintered compound comprising sinterable particles comprising at least one metal or at least one metal compound, and at least one polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound, wherein the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound has a flow temperature greater than or equal to room temperature and is smaller than the sintering temperature, and wherein the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound further has a desorption temperature greater than the flow temperature and less than or equal to the sintering temperature.
  • a starting material which is intended to form the sintered connection in the further method.
  • the starting material in this case comprises a background material, which after sintering may represent the actual sintered connection or at least forms a large proportion of the sintered connection.
  • This background material may in particular at least one metal or at least one
  • the starting material has at least one polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound can serve to hold the background material together and so on permit the starting material to be provided as a compact, for example malleable, for example thermoplastic, shaped body, for example.
  • a polymeric organic compound by way of example and not by way of limitation, a hydrocarbon-based compound which is polymerized can be considered. Accordingly, under a
  • organic monomeric compound may further be understood as meaning, for example and not by way of limitation, such a compound which may also be hydrocarbon-based but need not have any groups suitable for polymerization.
  • the starting material can be provided as a transportable and storable material that can be applied at any time and without special effort.
  • the starting material may be produced in advance and stored and fed to its use immediately prior to carrying out the process. This allows very dynamic and changeable production processes, which are directly adaptable to the desired requirements.
  • the starting material can be provided, for example, as a large-area material, from which in each case a material part of a suitable size can be separated, for example punched out or cut out, before it can be used.
  • only one starting material can be provided for a wide range of applications, which can further improve the costs for the above-described method.
  • the starting material such as by film casting or
  • Handling systems are handled, which is a particularly good Integration of the starting material into existing process peripherals.
  • Unevenness of the joining partners such as substrate unevenness or component unevenness, optimally adapt, so that a particularly intimate contact is possible, which can also bring a particularly stable sintered connection with it.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound and the background material or the at least one metal or the at least one metal compound are particularly matched to one another such that the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound has a flow temperature which is greater than or equal to Room temperature and less than the sintering temperature of the background material, and wherein the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound further has a desorption temperature which is greater than the flow temperature and less than or equal to the sintering temperature of the background material.
  • a flow temperature can be understood to mean, in particular, a specific temperature or a temperature range from which the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound is flowable and thus flowable, ie can be removed automatically from the joining zone by a flow process.
  • a flow temperature in particular a melting temperature or a melting range or a glass transition temperature or
  • the starting material such as the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound, or another excipient, such as a solvent, may have suitable tackiness that allows the starting material to adhere to the mating partners. This allows a particularly good applicability, since the starting material, once arranged, can safely remain there.
  • an adhesion force or tackiness can be obtained at temperatures below the flow temperature, ie, purely by way of example, at temperatures in a range of less than or equal to 100 ° C.
  • polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound can serve to prevent cold welding of the particles and also to allow shaping of the film material.
  • this starting material is arranged according to method step b) between two components to be connected. This can
  • the starting material can be arranged, for example, between a substrate and an electronic component to be mounted on the substrate.
  • a further step is carried out to heat the starting material to a temperature Tl which is greater than or equal to
  • Flow temperature of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound and smaller than the desorption temperature of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound is for a time tl.
  • connecting components adheres and thus already forms an arrangement that already has a good stability for the further sintering process.
  • Starting material is placed at a desired position, and further remains there. As a result, specially defined products can be obtained.
  • the starting material in particular stable forces, can be held in its position by raising the temperature above the flow temperature of the polymerizable polymerizable and / or monomeric organic compound.
  • an additional fixation medium is not necessary, which can make the method described above particularly simple and inexpensive.
  • the starting material clings to the components to be connected and otherwise by a particular reversible softening of the polymeric
  • Connection is removed by a fluidity of the joining zone. This can be achieved that it at a subsequent distance
  • the gas transport is limited by the density of the joining material and thus, for example, in a production of a tight connection, the material is pressed by mechanical pressure and thus just inhibits the gas transport.
  • the time duration t 1, for which the temperature T 1 is maintained can be selected depending on the actual starting material used.
  • the period of time should be long enough for sufficient flowability of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound to be realized, and for the aforementioned advantages to be achieved in a particularly advantageous manner.
  • step d) in a method described above, the starting material is heated to a temperature T2 is greater than or equal to the sintering temperature of the sinterable particles,
  • the chemically stabilized particles for example, are burnt out until the bonding temperature or sintering temperature is reached, so that the particles or released metal atoms come into direct contact with one another and with the material of the joining partners.
  • a high-temperature-stable compound then forms even at low temperatures.
  • the starting material is heated alone or together with at least one joining region of the components to be connected to a temperature T2, for example by a heating source or electromagnetic radiation.
  • the temperature T2 is greater than or equal to the sintering temperature of the sinterable particles, ie the particles, comprising at least one metal or at least one metal compound.
  • the temperature T2 is maintained for a predetermined period t2, which is sufficient that a stable
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound furthermore has a desorption temperature, that is to say a specific desorption temperature or a broad desorption temperature, that is to say a desorption range which is greater than the flow temperature and less than or equal to the sintering temperature, can be the stability of the trained sintered compound can be further increased.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound is both sinterable
  • the method described above in particular allows a particularly simple and defined production of a sintered connection between two components to be connected, wherein the formed
  • sintered compound can be particularly stable.
  • the desorption temperature can be any suitable substance. In an embodiment, the desorption temperature can be any suitable substance.
  • Boiling temperature, decomposition temperature or a reaction temperature of the polymer, polymerizable and / or monomeric organic compound with the sinterable and / or with sintered particles can be advantageously ensured that in the
  • Process step d) the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound can be removed completely or without residue and the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound thus does not adversely affect the stability of the sintered compound.
  • the fact that at least a certain proportion or advantageously a large part of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound is no longer disposed in the immediate joining zone during process step d), can also by evaporation, decomposition or combustion or Abreagieren, such as Oxidizing by a constituent of the sintered material, which in particular arranged outside the joining zone polymer, polymerizable and / or monomeric organic compound is not in the risk that a significant gas generation adversely affects the sintering process.
  • the proportion of the polymer, polymerizable and / or monomeric organic compound still in the joining zone can be so low in particular that no significant gas transport takes place, which adversely affects the forming sintered compound or the stability of the formed sintered connection.
  • a removal by the abovementioned processes can be possible without any problems here, or it may also be possible for the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound in the joining zone to remain in place without negatively influencing the sintering process.
  • the sinterable particles silver, gold, platinum, palladium and / or copper, an organic metal compound, in particular silver carbonate, silver lactate or silver stearate, a metal oxide, in particular silver oxide, or a mixture comprising one or more of the aforementioned substances.
  • an organic metal compound in particular silver carbonate, silver lactate or silver stearate, a metal oxide, in particular silver oxide, or a mixture comprising one or more of the aforementioned substances.
  • Such particles may be particularly advantageous, a highly stable and electrically conductive
  • both the pure metals and corresponding metal compounds can be provided.
  • the metals can allow directly by a heat input or an entry of pressure in particular a cohesive connection between the joining partners, thereby enabling a stable sintered connection.
  • these can be used in a
  • Temperature treatment of the starting material for example in a range of less than 300 ° C, decompose to form the elemental metal and form the sintered bond.
  • contacting can already take place with low contact pressures of the contacting partners, which is thus mild
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound may be a polyolefin, in particular comprising polyethylene and / or polypropylene, a polyethylene copolymer
  • Polyketone or a mixture comprising one or more of the aforementioned substances may have the advantage that they can be easily integrated into a sintering process with regard to their flow temperature or their desorption behavior, in particular in combination with the aforementioned background materials, ie in particular metals or metal compounds.
  • the above-mentioned polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compounds may be particularly advantageously suitable for receiving the background material and furthermore being removed substantially without residue by desorption from a component to be joined.
  • the above-mentioned polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compounds are stable under ambient conditions, ie also in an oxidative atmosphere and / or in a humid atmosphere, so that a particularly advantageous storage life can also be achieved over a long period of time for the starting material.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound can form a matrix in which the sinterable particles are embedded, or the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound can be present as a coating on the sinterable particles.
  • a shaped body can thus be produced which can be adaptable in all dimensions to the desired field of application.
  • a body in its length, width and height can be adapted to the components to be joined.
  • the method can be further facilitated and also made more cost-effective.
  • a mutually adhering moldable mass can be produced, which can be handled particularly well.
  • such a starting material can be produced approximately by melting the polymer, polymerizable and / or monomeric organic compound with subsequent mixing with the background material and a final cooling.
  • the proportion of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound can be kept particularly low, so that the mass emerging from the joining region when the temperature rises above the flow temperature of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound can be kept particularly low ,
  • the coating of the particles can be applied already in the production of the particles, in particular in order to prevent a reaction of the sinterable particles with one another, such as a cold welding.
  • the metal particles which are produced, for example, as silver particles, by a vapor deposition or precipitation in a solvent, can be coated by the solution
  • Coating material for example as a surface-active material having. After removal of the solvent, for example, which can be handled as a powder starting materials comprising the sinterable particles with the in particular chemically or physically bound coating can be obtained.
  • the starting material can now powder or as a compact from the powder or as a paste with a solvent on basically known methods, such as placing the powder
  • the viscosity of the polymer, polymerizable and / or monomeric organic compound can be adjusted via a temperature control, so that the viscosity can be controlled by a temperature setting and thereby increase the temperature can cause the compound in particular by capillary forces removed from the joint and in another
  • Process step can be completely removed or desorbed.
  • the starting material can be applied to at least one component to be joined by printing, doctoring or dispensing. These are particularly simple and sophisticated processes for applying the starting material to at least one of the components to be joined. In these embodiments, a particularly precise and highly accurate arrangement of the starting material is possible, which can allow highly stable sintered connections even in small-sized components. In this case, the starting material can be applied to only one of the components to be connected, or to use both on the output components.
  • the starting material may comprise a transfer layer which is arranged between at least two protective layers, in particular comprising a polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound.
  • the transfer layer may comprise the background material or the sinterable particles and optionally the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound of the transfer layer may be the same compound as the compound of the protective layers.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound of the transfer layer may be the same compound as the compound of the protective layers.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound of the transfer layer may be the same compound as the compound of the protective layers.
  • Coating or as a matrix can be omitted, so that the sinterable particles are surrounded only by the protective layers comprising a polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound.
  • the starting material can be particularly easy to handle and still be arranged very precisely at the desired location.
  • the transfer layer is particularly well protected against external influences and thus particularly storable. In this case, arranging the starting material on one of the to be joined
  • Components can be realized by way of example and not limitation such that the protective layers are removed before or during method step b).
  • a protective layer can be removed and the exposed side of the transfer layer can be arranged on the component, and subsequently the further protective layer can be removed.
  • Starting material in particular have a transfer layer which is surrounded on two opposite sides of the protective layer.
  • the protective layers can furthermore be designed such that essentially the entire transfer layer is surrounded by protective layers. This can be achieved by providing more than two protective layers as well as by a corresponding shape of the at least two protective layers.
  • Polyethylene terephthalate have.
  • polyethylene terephthalate can serve as a stable protective layer to safely protect the transfer layer from external influences such as mechanical influences.
  • it is inert to the materials occurring in the transfer layer, so that even over a longer period of storage no negative influence the transfer layer is to be expected.
  • polyethylene terephthalate can serve as a stable protective layer to safely protect the transfer layer from external influences such as mechanical influences.
  • it is inert to the materials occurring in the transfer layer, so that even over a longer period of storage no negative influence the transfer layer is to be expected.
  • the starting material may be provided in the form of a paste, a powder, a granulate or a film.
  • Such forms of the starting material can be handled easily, inexpensively and with known methods, so that the method can be particularly simple and inexpensive, especially in these embodiments.
  • storage without hesitation is possible, so that the advantages in terms of production in advance and an application or provision immediately before the process can be easily possible.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound may be added during or after
  • Process step c) are derived or removed.
  • the effect basically occurring by a flowability of the polymer, polymerizable and / or monomeric organic compound, according to which the compound from the joint zone already occurs by flowing away, can be further enhanced or supported.
  • polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound for example, one or a
  • a plurality of collecting containers such as cavities, be provided, in which the flowable compound derived, so can be performed.
  • channels may be provided, which are arranged such that flows into the compound in a flowable state, or the collecting container may itself be arranged directly so that the flowable
  • the collecting container can be arranged approximately immediately adjacent to the components to be joined and the channels extend approximately into the joining region.
  • the flowable compound can be taken up and removed, for example, by means of a suitable device.
  • a suitable device for example, spongy devices or capillary bundles can be used, which absorb the compound by means of capillary forces or can suck. This can cause a particularly gentle removal of the compound and not adversely affect the sintering process.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound may comprise at least one additive which is compatible with the sinterable particles, in particular with the organic
  • Metal compound reacting with reduction of the sintering temperature.
  • a particularly gentle method can be made possible, since even low temperatures can be sufficient for a sintering process.
  • such components can be connected to each other, which should not be exposed to high temperatures.
  • polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compounds may also be used which have a relatively low desorption temperature, which may increase the selection of such compounds also with respect to conventional polymers, for example.
  • oxidizable organic compounds such as fatty acids, for example stearic acid or lauric acid, in particular in combination with the aforementioned background materials, such as silver.
  • a sintered connection can be produced which has an electrical conductivity of greater than or equal to 30 MS / m to, in particular, less than or equal to 45 MS / m, in particular greater than or equal to 36 MS / m to in particular less than or equal to 44 MS / m, and / or a sintered compound can be produced which has a thermal conductivity of greater than or equal to 200 W / mK to less than or equal to 300 W / m K, in particular greater than or equal to 220 W / mK to less than or equal to 275 W. / mK.
  • one of the components to be connected may be an electronic component and, as another of the components to be connected, a substrate, for example comprising one
  • Copper compound can be used.
  • electronic components can be applied to the corresponding substrates.
  • a very stable compound which is additionally electrically conductive is useful. Therefore, it is particularly advantageous in this embodiment that the
  • Component is attached to a substrate by a sintering process.
  • power semiconductors or integrated circuits can be attached to the substrate as electronic components by the sintered connection.
  • the method described above can be used in components to be joined, which only a small
  • Embodiment silicon chips or silicon carbide components which Temperatures of 250 ° C or 350 ° C, for example, can be easily added, such as the so-called "The Attach".
  • this embodiment thus comprises a use of the above-described method in the field of electronic construction technology or connection technology, in particular as a low-temperature sintering technique.
  • diffusion soldering or active soldering can be replaced by the method described above.
  • Fig. La-c is a schematic representation of a preparation of a
  • Fig. 2a-c is a schematic representation of a method according to the invention using a starting material according to Figure 1;
  • Fig. 3a-c is a schematic representation of a method according to the invention using a further embodiment of a starting material
  • FIG. 1 c shows a starting material 10 for a method according to the invention for connecting at least two components using a sintering process.
  • the starting material 10 of a sintered connection in the embodiment according to FIG. 1c comprises sinterable particles 12, comprising at least one metal or at least one metal compound.
  • the starting material 10 comprises at least one polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14, which is arranged according to FIG. 1 as a coating on the sinterable particles 12.
  • the sinterable particles 12 or the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 are chosen such that the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 has a flow temperature which is greater than or equal to the room temperature, ie greater or equal to the invention is equal to 22 ° C, and is less than the sintering temperature of the sinterable particles, and wherein the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic
  • Compound 14 further has a desorption temperature that is greater than the flow temperature and less than or equal to the sintering temperature.
  • a sinterable particle 12 is shown, which was produced in a solvent 16.
  • the sinterable particle 12 may be, for example, a silver particle.
  • a coating of a polymeric is further shown on the sinterable particles 12, a coating of a polymeric,
  • polymerizable and / or monomeric organic compound 14 is arranged. This can be produced by adding the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 to the solvent 16, for example, dissolved or dispersed.
  • solvent 16 for example, dissolved or dispersed.
  • Rosin resin which can serve as a flux find use.
  • this has the advantage that it is soft and sticky at slightly elevated temperatures of well below 100.degree. C., but volatilizes almost without residue with decomposition in the further process control and can be produced as a preform at 25.degree.
  • the finished starting material 10 is shown by evaporation of the solvent.
  • Such a starting material 10 can be arranged directly between two components 18, 20 to be connected, as shown in FIG. 2a.
  • the starting material 10 can be applied to at least one component 20 to be joined by printing, doctoring or dispensing
  • the component 20 may be a substrate, whereas component 18 may be an electronic device, such as a power semiconductor device.
  • FIG. 2b shows a first temperature treatment step.
  • FIG. 2 shows a state after a method step comprising heating the starting material 10 to a temperature T 1 which is greater than or equal to the flow temperature of the polymerizable, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 and less than that
  • Desorption of the polymer, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 is for a time tl.
  • a portion of the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 is removed from the joint zone and rests on the component 20 or wets the surface of the component 20.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 can be removed or removed during or after this process step of the first heat treatment.
  • FIG. 2 c further shows a formed sintered connection 22 of the two components 18, 20.
  • a sintered connection 22 is formed by sintered sinterable particles 12 by a further method step comprising heating the starting material 10 to a temperature T2 which is greater than or equal to the sintering temperature of the sinterable particles 10, optionally under the influence of a sintering pressure, for a temperature t2 under formation a sintered connection 22.
  • the sintered connection 22 can,
  • an electrical conductivity of greater than or equal to 30 MS / m to in particular less than or equal to 45 MS / m, in particular greater than or equal to 36 MS / m to, in particular less than or equal to 44 MS / m have, and / or may have a thermal conductivity of greater than or equal to 200 W / mK to less than or equal to 300 W / m K, in particular from greater than or equal to 220 W / mK to less than or equal to 275 W / m K.
  • sintering may take place by way of example at a sintering pressure of less than or equal to 10 MPa, for example less than or equal to 1 MPa and / or at a sintering temperature in a range of less than or equal to 300 ° C, for example less than or equal to 250 ° C.
  • a sintering pressure of less than or equal to 10 MPa, for example less than or equal to 1 MPa and / or at a sintering temperature in a range of less than or equal to 300 ° C, for example less than or equal to 250 ° C.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 forms a matrix in which the sinterable particles 12 are embedded.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 is arranged together with the sinterable particles 12 in a transfer layer 24, for example as an adhesive film.
  • Transfer layer 24 is arranged between at least two protective layers 26, 28, in particular comprising a polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 30.
  • a protective layer 28 may first be removed and the starting material 10 transferred to the first component 20. After removal of the second protective layer 26, respectively, of all protective layers still present, the second component 18 is correspondingly deposited on the starting material 10 or on the
  • Transfer layer 14 is positioned.
  • the starting material 10 is spoken although at least partially only a part of the starting material is present, which may be included within the meaning of the invention of starting material 10. This condition is shown in FIG. 3b.
  • first temperature treatment in which the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 melts and can become tacky, for example.
  • the polymeric, polymerizable and / or monomeric organic compound 14 may be removed, and further, by the elevated temperature, the sintered sinterable particles form a sintered bond 22, as shown in FIG. 3c.

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Abstract

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

Description

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

Claims

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