WO2024042155A1 - Sintervorrichtung und verfahren - Google Patents

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WO2024042155A1
WO2024042155A1 PCT/EP2023/073214 EP2023073214W WO2024042155A1 WO 2024042155 A1 WO2024042155 A1 WO 2024042155A1 EP 2023073214 W EP2023073214 W EP 2023073214W WO 2024042155 A1 WO2024042155 A1 WO 2024042155A1
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WO
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press
assemblies
sintering
pressing force
drive device
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Application number
PCT/EP2023/073214
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph OETZEL
Holger Ulrich
Original Assignee
Pink Gmbh Thermosysteme
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Publication date
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    • H01L24/74—Apparatus for manufacturing arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies
    • H01L24/75—Apparatus for connecting with bump connectors or layer connectors
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/93—Batch processes
    • H01L24/95—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2224/75—Apparatus for connecting with bump connectors or layer connectors
    • H01L2224/7555—Mechanical means, e.g. for planarising, pressing, stamping
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8384—Sintering

Definitions

  • the present invention relates to a sintering device and a method for simultaneously connecting components of several electronic assemblies arranged next to one another by means of pressure sintering.
  • two or more components in particular electronic components and substrates, can be connected to one another in an electrically and/or thermally conductive manner using a joining material, in which case the connecting joining material is sintered.
  • the components to be connected are pressed uniaxially between an upper tool and a lower tool to provide a joining pressure.
  • the assemblies are accommodated between the first press ram and the at least one, in particular several, second press rams, with each of the first press rams and/or each of the at least one second press ram being assigned a drive device which is used to exert a pressing force on one of the assemblies by axially displacing it the associated first press ram and/or the associated second press ram is set up along an effective direction of the pressing force (P).
  • the first press dies are placed on the assemblies before the start of the pressing process, i.e. also placed outside the sintering device before the sintering process, and that the assemblies are pressed against the at least one second press die while the pressing force is being applied.
  • the first press stamps acting on the top side of the assemblies are only loosely placed on the assemblies or their components.
  • the first press stamps are placed on the assemblies preferably outside the sintering device, so that in an already necessary step of introducing the components into the sintering device, the first press stamps can be introduced together with the components.
  • the drive device or devices move the second press punch(es) to exert the pressing force, the first press punches together with the underlying components of the assemblies are pressed against the pressure plate arranged above the assemblies, which is fixed in a stationary manner, for example on a frame of the sintering device.
  • the second press ram(s) can be supported on a pressure plate of the lower tool, and the first press rams of the upper tool press the assemblies relative to the pressure plate or the second press rams of the lower tool.
  • the pressure plate or the respective opposite drive device thus applies a counterforce that is opposite to the pressing force.
  • the pressure plate or the drive device preferably of the lower tool and/or upper tool, can preferably be tempered by means of appropriate heating and/or cooling devices in order to effect a heat transfer to or from the components through the first and/or second press dies.
  • the heating and/or cooling device is preferably provided at least in the lower tool in order to heat a base body of the assembly, while the first press rams of the upper tool are thermally heated beforehand, for example before or after placement, so that a separate heating or Cooling device in the upper tool can be dispensed with.
  • the first press punches can be exchangeably fastened in the upper tool, in particular thermally clamped in a clamping device, as described in EP 4 080 554 A2 become.
  • the first press punches can be accommodated on or in a holding plate of the upper tool at a first temperature along an effective direction of the pressing force in the upper tool and clamped on or in the holding plate or the upper tool at a second temperature that is higher than the first temperature be.
  • the first press punches can be brought closer to the assemblies to be connected or a corresponding alignment gauge until all contact surfaces of the first press punches are in contact with the respective assigned components.
  • those press dies that are in contact with relatively high components or components are offset further than those press dies that are in contact with components or components with a comparatively low height.
  • a definable temperature gradient between the upper punch and the lower punch can be provided during the sintering process by means of the separately operable heating or cooling devices in the lower and upper tools, particularly in the associated press punches.
  • a heat-sensitive upper part of the assembly for example a power semiconductor component
  • a heat-insensitive and advantageously good thermally conductive lower part of the assembly for example a heat sink
  • a sintered connection should be connected between the underside of the upper part and the lower part of the assembly, usually with the provision of a sintering paste intermediate layer.
  • the upper punch can be heated or cooled along a temperature curve with lower temperature curves compared to a temperature curve with higher temperatures of the upper punch during the sintering process.
  • a temperature gradient of 50°C to 100°C can be set between the hotter, lower, second press dies and the cooler, upper, first press dies, at least when the sintering temperature is reached.
  • a single drive device is used in the upper tool and/or in the lower tool, it can be used, for example, as a single-acting hydraulic cylinder the respectively assigned individual or multiple first and/or second press punches.
  • the single-acting hydraulic cylinder can have a large piston surface, which can essentially cover the arrangement surface of the assemblies on the support frame.
  • the single-acting hydraulic cylinder can be reset, for example, via a spring means or via another restoring element. In this respect, it is not necessary to act hydraulically tensioned on a pressing plane and to use a complex, double-acting hydraulic cylinder, but rather the single-acting hydraulic cylinder can move freely as a cylinder block, so that the hydraulic pressing device can be provided inexpensively and places low demands on the hydraulic control.
  • the first press rams can be supported against a pressure plate of the upper tool, wherein the at least one drive device of the lower tool, in particular a respective drive device assigned to each second press ram, applies an effective direction of the pressing force P in the direction of the upper tool via the at least one second press ram.
  • the at least one second press ram can be supported against a pressure plate of the lower tool or can be formed from this, with the at least one drive device of the upper tool, in particular a respective drive device assigned to each first press ram, applying an effective direction of the pressing force P in the direction of the lower tool.
  • At least one drive device for applying a pressing force in the effective direction towards the lower tool or the upper tool can be arranged either in the upper tool or in the lower tool. If at least one drive device is provided in the upper tool, the pressing force can be transmitted, for example via a pressure plate, to the first press punch with the effective direction towards the lower tool.
  • respective drive devices (multi-drives) assigned separately to each of the first press punches can be arranged in the upper tool, which can individually exert pressing forces on the first press punches.
  • the second press ram can be designed, for example, as a pressure plate in the lower tool.
  • a large number of second press rams can statically support the assemblies in the lower tool relative to the lower tool.
  • At least one drive device can be provided in the lower punch.
  • This can, for example, be the second press stamp designed as a pressure plate, or several second ones statically connected to the drive device Move the press punch towards the upper punch in the effective direction of the pressing force.
  • each of the several second press rams in particular each second press ram assigned to a first press ram, can also be arranged in the lower tool with separately assigned respective drive devices (multi-drive), which can individually exert pressing forces on the second press rams.
  • this embodiment provides a common drive device or multi-drives for the first or second press rams either in the upper tool or in the lower tool.
  • a respective drive device of the upper tool can be assigned to the plurality of first press punches and a drive device of the lower tool can be assigned to the plurality of second press punches, each electronic assembly being driven on both sides by the drive devices of the upper tool and the lower tool by opposing directions of action of the pressing forces P be pressurized.
  • a sandwich-like counter-rotating pressing of the assemblies is proposed by at least one drive device of the upper tool and the lower tool.
  • the drive device of the upper tool can, as an individual drive, distribute pressing forces to the first press stamps placed on the assemblies, for example via a pressure plate.
  • a respective drive device can be provided separately for each first press stamp.
  • the drive device of the lower tool can either be provided as an individual drive device, which applies a pressing force in the effective direction to the upper tool, for example via a second press punch designed as a pressure plate or a plurality of second press punches statically arranged on the drive device.
  • a respective drive device can be provided separately for each second press stamp.
  • individual temperature and pressure parameters can be achieved on adjacently arranged assemblies by mutually pressing the assemblies using counter-rotating drive devices in the upper and lower tools, which is particularly advantageous for parallel sintering of different assemblies.
  • each drive device can be controlled individually, preferably hydraulically, electromotively, piezoelectrically or magnetostrictively, with regard to an offset path and/or an applied pressing force.
  • Preferred A respective first and/or second press stamp is assigned to a respective assembly or a component. This makes it possible to apply uniform pressure to the various assemblies or individual components. In particular, it is guaranteed that each assembly can be individually subjected to a specified pressing pressure. Among other things, it is avoided that individual assemblies are subjected to too high or too low a pressing pressure, as is the case, for example, with conventional solutions in which several assemblies are only subjected to a single common press punch. Another advantage is that height tolerances of the assemblies or components can be compensated for or taken into account.
  • the necessary pressing force can be set, for example, with the help of an assigned force or pressure transducer or even a displacement transducer, whereby the pressing force exerted can be carried out directly by adjusting a working pressure or indirectly by adjusting an offset path of the second press punch.
  • a hydraulically controllable drive device can be formed, for example, by an arrangement of double-acting pistons, which can be fed from a common, pressurized fluid reservoir by means of appropriate control valves. In principle, however, each drive device can also have its own fluid source for generating pressure, which means that valves can be dispensed with. An electric motor control can take place, for example, with the aid of a drive device having a spindle drive. Furthermore, piezoelectrically or magnetostrictively operated drive devices can also be provided.
  • each of the first and/or second press rams is connected to the associated drive device.
  • the second press rams are not placed on top, but rather form a unit with the associated drive device.
  • each of the first and/or second press rams can have a respective heating and/or cooling device.
  • the heating or cooling device By means of the heating or cooling device, an individually controllable heat transfer to or from this assembly can take place individually for every second press stamp and thus for each assembly in thermal contact with it.
  • the heating and/or cooling device can, for example, be electrically operated and/or provided in the second press dies Include fluid channels which are in fluid communication with a corresponding temperature-controlled fluid source.
  • the heating and/or cooling device is preferably designed as a pin contact heating and/or cooling device.
  • a heating or cooling temperature can be efficiently transferred before the second press die comes into full-surface contact with the assemblies and, in particular, any alignment problems such as parallelism compensation of the surfaces can be compensated for.
  • thermal transfer pin contacts are described, for example, in WO 2016/091962 A1. These can already be used in a heating chamber to heat the assembly, the second press stamp and/or the pressure plate.
  • the temperatures of the first and second press rams are regulated simultaneously and while maintaining a predefinable temperature gradient between the respective first and assigned second press rams. This allows temperature-sensitive parts of the assemblies to be protected from thermal overload. Furthermore, identical temperature conditions can be maintained on the first and second press dies even after a large number of repeated sintering processes.
  • a support frame that can be inserted into the sintering device, in which the components of the assemblies, preferably together with the placed first press stamps, are held guided in the lateral direction, the support frame preferably having openings assigned to the assemblies, through which the second press stamps can come into mechanical and thermal contact with the assemblies.
  • the assemblies are stored laterally aligned by the support frame in accordance with an arrangement grid of the second press rams, the lateral alignment referring to an alignment transverse to the pressing direction. While the support frame prevents lateral movement of the components, movement along an effective direction of the pressing force is permitted.
  • the openings enable the second press rams to lift the components out of the support frame.
  • At least one guide frame is preferably detachably arranged on the support frame, which is designed to guide the first press rams in the lateral direction relative to the assemblies.
  • the guide frame thus prevents a relative movement of the press stamps placed on it relative to the components of the assemblies and/or the support frame.
  • the at least one guide frame can be plugged onto the support frame or screwed to it.
  • the guide frames can only be arranged after the components have been inserted into the support frame, whereupon the first press stamps can then be inserted into the guide frame.
  • the guide frame has a higher coefficient of thermal expansion than an upper part of the assemblies.
  • the assembly to be sintered can consist of individual, stacked parts, for example power semiconductor components as the upper part and heat sinks as the lower part of the assembly, which can have different thermal expansions.
  • a power semiconductor component has a lower thermal expansion than a heat sink.
  • the guide frame can advantageously have such a thermal expansion that compensates for the undesirable thermal relative displacement of the assembly parts to one another and, for example, thermally shifts the upper parts in the same way as the lower part(s).
  • the guide frame can have a higher thermal expansion than the upper parts of the assemblies accommodated therein, and can in particular be made of aluminum.
  • the lower part of the assemblies can be, for example, a heat sink and can be made of copper or a similarly thermally conductive material. This expands when heated, with an upper part of the assemblies, for example a power semiconductor component, expanding less when heated.
  • the guide frame can have a higher coefficient of thermal expansion in order to adapt the relative alignment of the upper part of the assemblies to the lower part of the assemblies when heated; for this purpose, for example, aluminum is suitable for the guide frame, compared to copper for the lower part of the assemblies.
  • an electrical supply board with connection contacts of the power semiconductor components sintered on a common heat sink or on individual heat sinks, preferably converter components such as IGBTs for electrical energy conversion are connected in the correct position.
  • each of the first and/or second press punches has a punch body that can be displaced axially along an effective direction of the pressing force and a contact surface that can be contacted with a component of the assembly, the contact surface being mounted so that it can be tilted relative to the punch body about at least one spatial axis.
  • the contact surface is preferably tiltable about two Cartesian spatial axes, with the third spatial axis of this Cartesian spatial axis system running along the effective direction of the pressing force.
  • the contact surface is, so to speak, movable in a gimbal manner relative to the stamp body, so that the contact surface can lie evenly against the component that comes into contact with it.
  • a respective press stamp can, for example, also be divided into two parts and, in addition to the said stamp body, also comprise a further stamp body which has the said contact surface, with both parts of the stamp body being connected via the mentioned elastic compensation layer or another bearing that allows tilting is provided.
  • a plurality of first press punches arranged next to one another are assigned to a respective second press punch.
  • a respective first press punch can be assigned a plurality of second press punches arranged next to one another.
  • the first and second press rams assigned to a second or first press ram can have different heights. This also makes it possible to sinter assemblies in which, for example, several components with different heights are to be arranged on a flat substrate. The height of the first and second press rams is measured in such a way that the contact surfaces of the first and second press rams facing the pressure plate lie in a common plane.
  • the first press stamps can be carried out in the context of flow production by a transport device, in particular bypassing the sintering device after the sintering process has been completed, from an unloading station after the sintering device back to a loading station in front of the sintering device, as described for example in WO 2021/069328 A1. be transported. This ensures a series production process that can sinter a large number of components to be connected at high cycle rates.
  • a method according to the invention for simultaneously connecting components of several electronic assemblies arranged next to one another by means of pressure sintering in a sintering device which is designed in particular according to one of the preceding or preferred embodiments according to the invention, wherein the sintering device comprises a plurality of first press punches and at least one, in particular a plurality of second press punches, between which the assemblies are accommodated, wherein each of the first press rams and/or the at least second press ram can be displaced axially along an effective direction of the press force for exerting a pressing force on one of the assemblies by means of an associated drive device, comprises the steps
  • the first press stamps By placing the first press stamps on the assemblies and introducing the assemblies together into the sintering device, the first press stamps can be configured in a simple manner, which means both the arrangement of first press and stamps of a suitable size as well as their exact alignment relative to the assemblies or indirectly also to the arrangement geometry of the second press stamp(s).
  • the assemblies can be introduced into the sintering device together with the first press punches advantageously with the aid of a support frame in which the components of the assemblies are held guided in the lateral direction together with the placed press punch.
  • the support frame can preferably have openings assigned to the assemblies, through which the second press stamps can come into mechanical and thermal contact with the assemblies.
  • the assemblies can be lifted out of the support frame while the second press stamp(s) is being moved into the working position.
  • the support frame can have a guide frame which is designed to hold the first press punches in a lateral direction Direction relative to the assemblies.
  • the guide frame ensures axial displaceability of the first press punch in the effective direction of the pressing force.
  • the guide frame and/or the support frame advantageously has complementary alignment elements such as guide pins, guide grooves, guide recesses or the like, which ensure that the guide frame is arranged in the correct position on the support frame.
  • a lower part of the assemblies for example a heat sink, which can also serve as a lower part for several attached upper parts of the assembly, can be placed on or in the support frame.
  • the guide frame can then be placed on the support frame in a position-aligned manner using alignment elements.
  • the guide frame can have openings into which an upper part of the assemblies, for example power semiconductor components with placed first press punches, are inserted.
  • At least the step of carrying out the sintering process includes heating and/or cooling the first press punch and/or the at least one, in particular several, second press punches.
  • the heat required for sintering can be transferred to the assemblies via the press stamps and, if necessary, targeted cooling can also take place.
  • the first, upper press ram can maintain a lower temperature level during the sintering process than the second, lower press ram, which faces a heat sink, for example.
  • a thermal transfer can preferably take place via an elastic thermal transfer device, as known from WO 2016/091962 A1.
  • the second press ram(s) is heated or cooled, with the first press rams being preheated before or after being placed on the assemblies and maintaining a predeterminable temperature level due to their thermal storage capacity. This means that there may be no need for a heating and/or cooling device in the upper tool.
  • the actuation of various drive devices for moving the first and/or second press rams into the working position takes place at different times.
  • the actuation of the various drive devices for moving the first and/or second press rams from the working position back to the rest position can take place in the same chronological order, at the same time or in the reverse chronological order.
  • the time-shifted actuation of various drive devices takes place in such a way that at least one drive device arranged in a central area is initially actuated and drive devices located further out in time are actuated.
  • the middle press ram can be offset first and then the press rams surrounding it further out.
  • the guide frame advantageously comprises three groups of three assemblies each, possibly also four groups of three assemblies each, with the middle drive device within a group prematurely lifting the middle assembly with the upper press ram and guide frame out of the support frame.
  • At least the sintering process preferably takes place under a process atmosphere, in particular under an oxygen-free, oxidation-preventing process atmosphere, preferably at a negative pressure and in particular under a vacuum.
  • a measuring carrier frame can advantageously be provided for calibration and/or verification of the sintering device and the sintering process, which may also include a measurement guide frame and assemblies arranged in the correct position and geometrically reproduced in a geometric form, with pressure sensors and/or temperature sensors in or on the reproduced assemblies can be provided, which, for example, are initially passed through the sintering device when setting up or calibrating the sintering device and are subjected to the intended sintering pressures and sintering temperatures in order to enable verification and calibration of the sintering process.
  • the data from the pressure and/or temperature sensors can be used to set process parameters and to test the proper function of the sintering device.
  • the heating and/or cooling temperature transfer preferably takes place by means of mechanical contact pin cooling. If necessary, heat radiation transfer can also be used, for example by means of induction heating, infrared heaters or convection temperature transfer through process gas circulation.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of a sintering device according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a support frame of the sintering device from FIG. 1 with inserted components
  • Fig. 3 is a perspective view of the support frame from Fig. 2 additionally with the first press stamps and guide frames placed thereon;
  • FIG. 8 shows a schematic longitudinal sectional view of a sintering device according to a second exemplary embodiment
  • Fig. 9 is a schematic longitudinal sectional view of a sintering device according to a third exemplary embodiment.
  • a sintering device 10 according to a first exemplary embodiment, which includes an upper tool 12 and a lower tool 14.
  • a sintering device 10 is considered, in which the first press rams 16 are statically supported against a pressure plate 20 of the upper tool 12, with several second press rams 18 of the lower tool 14, each displaceable by separate drive devices 28, 28.2.
  • the sintering device 10 can comprise a solid press frame, which can delimit an evacuable process chamber, with the upper tool 12 and the lower tool 14 being supported on the press frame.
  • the upper tool 12 includes a flat pressure plate 20, which can have a heating and/or cooling device (not shown).
  • the lower tool 14 comprises an arrangement of second press rams 18, with each second press ram 18 being assigned a drive device 28.
  • the drive devices 28 can, for example, each be designed as a hydraulically operated piston-cylinder arrangement, which is operated by means of a pressurized hydraulic fluid in order to raise or lower the associated second press ram 18.
  • the second press stamps 18 can also have heating and/or cooling devices, for example fluid channels through which temperature-controlled fluid flows or IR-based, electrical or inductive heating elements.
  • a working space 40 is defined between the second press rams 18 of the lower tool 14 and the pressure plate 20 of the upper tool 12, into which a support frame 30 can be inserted or pushed, on which the components of the assemblies 22 to be connected are stored.
  • the support frame 30 includes an outer frame 34 with a central opening in which an inner frame 36 is arranged.
  • a total of five substrates 24 are inserted into the inner frame 36 and held laterally guided, for example heat sinks or carrier plates for a power semiconductor component, on which three components 26 are placed, for example semiconductor units or so-called molds, in which several semiconductor components have already been assembled in advance and are shed.
  • Respective first press stamps 16 are in turn placed on the components 26, with three first press stamps 16 assigned to a respective substrate 24 being mounted laterally guided in a guide frame 32.
  • Each guide frame 32 therefore extends over a respective substrate 24.
  • the support frame 30 has openings or openings covered by the substrates 24, through which the second press stamps 18 can come into direct contact with the assemblies 22 or the substrates 24.
  • each assembly 22 can be connected by means of pressure sintering, each assembly 22 comprising a common substrate 24 and three components 26 arranged in a row thereon.
  • the second press rams 18 including the associated drive devices 28 are arranged in a matrix with five rows of three second press rams 18 or three drive devices 28 each.
  • the placed first press stamps 16, the components 26, the second press stamps 18 and the drive devices 28 are each aligned with one another, i.e. the components mentioned are arranged vertically one above the other in each of the fifteen stacks in a top view, i.e. in the effective direction of a pressing force P.
  • the support frame 30 is equipped with the assemblies 22, the guide frame 32 and the first press stamps 16 preferably outside the sintering device 10. Once the support frame 30, including the elements arranged thereon, is inserted into the sintering device 10. A corresponding rest position is shown in FIG. In contrast to this, the sectional views shown in FIGS. 4 to 7 represent cross sections, so that only one assembly 22 with a substrate 24 and three placed components 26 is visible there. Accordingly, only three press rams 16, 18 and three drive devices 28 are shown.
  • the second press stamps 18 can have a two-part stamp body 42 with an upper stamp body 44 facing the pressure plate 20 and a lower stamp body 46 facing the associated drive device 28.
  • the contact surface 48 between the upper stamp body 44 and the lower stamp body 48 is designed as a spherical surface and enables the upper stamp body 44, which is in contact with the assembly 22, to be in contact with the latter
  • the bottom can be aligned automatically by a small sliding movement along the spherical surface. This avoids the occurrence of pressure peaks within the assembly 22.
  • an operating method for operating the sintering device 10 initially only the middle second press stamp 18 assigned to a respective assembly 22 is raised. 5, the outer second press rams 18 are raised with a time delay, so that a certain height offset can temporarily occur between the top sides of the second press rams 18. As soon as the second press stamps 18 come into contact with the underside of a respective substrate 24 of an assembly 22, this assembly 22 is lifted out of the support frame 30 in the effective direction of the pressing force, with the placed first press stamps 16 also being lifted out of the associated guide frame 32 at the same time.
  • the first press stamps 16 come into contact with the pressure plate 20 as the lifting progresses, with a counterforce building up that is opposite to the pressing force P generated by the drive devices 28, so that there is an increase in pressure within the assemblies 22.
  • the pressure plate 20 or the second press stamp 18 By heating the pressure plate 20 or the second press stamp 18, the heat required for pressure sintering is provided.
  • the working position of the sintering device 10 shown in FIG. 6 is maintained for a predetermined period of time until the formation of the sintering device between the components of the assemblies 22 is completed.
  • the drive devices 28 are actuated again according to FIG. 7 in order to lower the second press rams 18 counter to the effective direction of the pressing force P.
  • the assemblies 22, including the placed press stamps 16 are also lowered and fall back into the support frame 30 or the guide frame 32.
  • the support frame 30 with the sintered assemblies 22 accommodated therein can be moved out of the sintering device 10 and a further support frame 30 with assemblies 22 to be sintered can be inserted in order to carry out another sintering process.
  • FIGS. 8 and 9 represent alternative second and third embodiments of a sintering device 10, in which a multi-drive comprising a plurality of drive devices 28, 28.1, 28.2 is arranged both in the upper tool 12, see FIG. 8 with regard to the second embodiment or both in the upper tool 12 are provided in the lower tool 14, see FIG. 9 for the third embodiment.
  • the second and third embodiments of FIGS. 8, 9 are based on the design of the first embodiment, which is described in detail with regard to FIGS. 1 to 7 is described. Therefore, only the different features will be described below.
  • the embodiment 10 shown in FIG. 8 differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that separate drive devices 28.1 are assigned to the first press ram 16 and are arranged in the upper tool 12.
  • a pressure plate 20 is provided in the lower tool, which acts as a second press stamp 18.
  • the pressure plate 20 supports the assemblies 22 in the lower tool 14 during the sintering process.
  • the drive devices can Place 28.1 on the top of the first press stamp 16 and provide a pressing force P on the assemblies 22 with the effective direction towards the lower tool 14.
  • a suitable transport device is known, for example, from WO 2021/069328 A.
  • the preheating chamber can preferably bring about an inductive temperature increase, in particular of the lower part, of the assembly, preferably of a heat sink, and can in this respect comprise conductive induction coils which are at a short distance from induction-heatable areas of the assembly and/or the support frame 30.
  • FIG. 9 shows a third embodiment 10, which is essentially a combination of the embodiments of FIGS. 1 and 8 represent. While according to FIG Printing plate.
  • Several drive devices 28.1 are arranged in the upper tool 12, each of which is assigned to a first press ram 16.
  • a plurality of drive devices 28.2 are arranged, each of which drives a second press ram 18 in a displaceable manner.
  • the support frame 30 has openings 52 through which the second press stamps 18 can act.
  • the press stamps 18 have resilient pin contact thermal transfer devices 50 in order to be able to compensate for rapid heat transfer and unevenness and non-parallelism between the surface of the press stamps 18 and the underside of the assemblies 22.
  • Each assembly 22 is pressed in a sandwich-like manner by a drive device 28.1 and drive device 28.2, with temperature, pressure, travel distance, etc. being adjustable separately for each assembly 22.
  • the third embodiment is particularly suitable for parallel sintering of heterogeneous assemblies 22.
  • the process atmosphere in the sintering device 10 is preferably adjustable, so flushing with a cleaning gas such as formic acid is possible, and removal of oxygen to prevent oxidation is also advantageously possible, even up to a vacuum.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sintervorrichtung (10) und ein Sinterverfahren zum gleichzeitigen Verbinden von Komponenten mehrerer nebeneinander angeordneter elektronischer Baugruppen (22) mittels Drucksintern, mit einem Oberwerkzeug (12) und einem Unterwerkzeug (14), umfassend mehrere erste Pressstempel (16), die dem Oberwerkzeug (12) zuordenbar sind, und zumindest einen, insbesondere mehrere, zweite Pressstempel (18), die dem Unterwerkzeug (14) zugeordnet sind, zwischen denen die Baugruppen (22) aufgenommen sind. Hierzu ist jedem der ersten Pressstempel (16) und / oder jedem der zumindest einen zweiten Pressstempel (18) eine jeweilige Antriebsvorrichtung (28, 28.1, 28.2) zugeordnet, welche zum Ausüben einer Presskraft auf eine der Baugruppen (22) durch ein axiales Versetzen des zugeordneten ersten Pressstempels (16) und / oder des zugeordneten zweiten Pressstempels (18) entlang einer Wirkrichtung der Presskraft (P) eingerichtet ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die ersten Pressstempel (16) auf die Baugruppen (22) vor Beginn des Pressvorgangs aufgelegt sind und während des Aufbringens der Presskraft die Baugruppen (22) gegen den zumindest einen zweiten Pressstempel (18) verpressen.

Description

SINTERVORRICHTUNG UND VERFAHREN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sintervorrichtung und ein Verfahren zum gleichzeitigen Verbinden von Komponenten mehrerer nebeneinander angeordneter elektronischer Baugruppen mittels Drucksintern.
STAND DER TECHNIK
Beim Drucksintern können zwei oder mehr Komponenten, insbesondere elektronische Bauteile und Substrate, mittels eines Fügewerkstoffs miteinander elektrisch und/oder thermisch leitend verbunden werden, wobei hierbei der verbindende Fügewerkstoff gesintert wird. Die zu verbindenden Komponenten werden für die Bereitstellung eines Fügedrucks hierbei uniaxial zwischen einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug verpresst.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Verbindungsherstellung unter Prozessatmosphäre, insbesondere Unterdrück oder Vakuum, besonders vorteilhaft ist, insbesondere zur Unterbindung unerwünschter chemischer Reaktionen wie Oxidation, zur Verhinderung von Gaseinschlüssen und zur Unterbindung von Verunreinigungen. Zum Sintern notwendige Wärme wird in der Regel über das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug auf die Komponenten übertragen, kann aber auch von der Unter- und/oder Oberseite als Strahlungswärme aufgebracht werden. Oftmals sollen auf einem gemeinsamen Substrat mehrere Bauteile angeordnet werden, die sich sowohl hinsichtlich ihrer lateralen Ausdehnung als auch ihrer Höhe voneinander unterscheiden können. Um eine gleichmäßige Druckübertragung zu gewährleisten, können am Oberwerkzeug und/oder am Unterwerkzeug mehrere Pressstempel vorgesehen werden, die in ihren Dimensionen auf die zu verbindenden Komponenten abgestimmt sind.
Sollen auf einer Anlage verschiedene Baugruppen unterschiedlicher Art verarbeitet werden, ist regelmäßig eine Anpassung der Pressstempelanordnung am Ober- bzw. Unterwerkzeug erforderlich. Die Anpassung ist zeitaufwendig und wird dadurch erschwert, dass die Werkzeuge und/oder Pressstempel heiß sein können. Zudem sind die Werkzeuge, insbesondere die Pressstempel, üblicherweise aus Metall, da sie hohen Druckkräften standhalten müssen. Daher sind solche Werkzeuge schwer, kühlen langsam ab und sind kostenintensiv. Des Weiteren ist eine exakte Lageausrichtung der Werkzeuge bzw. der Pressstempel zu den zu verbindenden Komponenten erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Sintervorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, die eine schnelle und zuverlässige Anpassung einer Pressstempelanordnung an die zu verbindenden Komponenten erlaubt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Sintervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Sintervorrichtung zum gleichzeitigen Verbinden von Komponenten mehrerer nebeneinander angeordneter elektronischer Baugruppen mittels Drucksintern umfasst ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug, wobei mehrere erste Pressstempel dem Oberwerkzeug (12) zuordenbar sind, und zumindest ein, insbesondere mehrere zweite Pressstempel dem Unterwerkzeug zugeordnet sind. Zwischen den ersten Pressstempel und dem zumindest einen, insbesondere mehreren zweiten Pressstempeln sind die Baugruppen aufgenommen, wobei jedem der ersten Pressstempel und / oder jedem der zumindest einen zweiten Pressstempel eine Antriebsvorrichtung zugeordnet ist, welche zum Ausüben einer Presskraft auf eine der Baugruppen durch ein axiales Versetzen des zugeordneten ersten Pressstempels und / oder des zugeordneten zweiten Pressstempels entlang einer Wirkrichtung der Presskraft (P) eingerichtet ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die ersten Pressstempel auf die Baugruppen vor Beginn des Pressvorgangs aufgelegt sind, d.h. auch außerhalb der Sintervorrichtung vor dem Sintervorgang aufgelegt werden, und während des Aufbringens der Presskraft die Baugruppen gegen den zumindest einen zweiten Pressstempel verpressen.
Im Unterschied zu herkömmlichen Sintervorrichtungen, bei denen die auf eine Oberseite der Baugruppen wirkenden Pressstempel fest oder auswechselbar an einem Oberwerkzeug befestigt sind, sind die auf die Oberseite der Baugruppen einwirkenden ersten Pressstempel lediglich lose auf die Baugruppen bzw. deren Komponenten aufgelegt. Das Auflegen der ersten Pressstempel auf die Baugruppen erfolgt bevorzugt außerhalb der Sintervorrichtung, so dass bei einem ohnehin erforderlichen Schritt des Einbringens der Komponenten in die Sintervorrichtung die ersten Pressstempel gemeinsam mit den Komponenten eingebracht werden können. Wenn die Antriebsvorrichtung bzw. die Antriebsvorrichtungen den bzw. die zweiten Pressstempel zum Ausüben der Presskraft versetzen, werden die ersten Pressstempel zusammen mit den darunterliegenden Komponenten der Baugruppen gegen die oberhalb der Baugruppen angeordnete Druckplatte, welche stationär, beispielsweise an einem Rahmen der Sintervorrichtung befestigt ist, oder gegenüber jeweiligen Antriebsvorrichtungen des Oberwerkzeugs gepresst. Alternativ kann der bzw. die zweiten Pressstempel auf einer Druckplatte des Unterwerkzeugs abgestützt sein, und die ersten Pressstempel des Oberwerkzeugs verpressen die Baugruppen gegenüber der Druckplatte bzw. die zweiten Pressstempel des Unterwerkzeugs. Die Druckplatte bzw. die jeweilig gegenüberliegende Antriebsvorrichtung bringt somit eine der Presskraft entgegengerichtete Gegenkraft auf. Die Druckplatte bzw. die Antriebsvorrichtung, bevorzugt des Unterwerkzeugs und/oder Oberwerkzeugs, ist bevorzugt mittels entsprechender Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen temperierbar, um einen Wärmetransfer zu oder von den Komponenten durch die ersten und/oder zweiten Pressstempel hindurch zu bewirken. Bevorzugt ist die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung zumindest im Unterwerkzeug vorgesehen, um ein Grundkörper der Baugruppe zu erwärmen, während die ersten Pressstempel des Oberwerkzeugs zuvor, z.B. vor oder nach dem Auflegen thermisch erwärmt sind, so dass ggf. auf eine gesonderte Heiz- oder Kühlvorrichtung im Oberwerkzeug verzichtet werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Auflegen der ersten Pressstempel auf die Baugruppen vor Beginn des Sintervorgangs kann, wie in der EP 4 080 554 A2 beschrieben, zumindest ein Teil der ersten Pressstempel, insbesondere alle ersten Pressstempel im Oberwerkzeug austauschbar befestigt, insbesondere in einer Klemmvorrichtung thermisch verklemmt werden. Hierdurch ist eine flexible Konfiguration der ersten Presstempel möglich. So können beispielsweise die ersten Pressstempel bei einer ersten Temperatur entlang einer Wirkrichtung der Presskraft im Oberwerkzeug versetzbar an oder in einer Halterungsplatte des Oberwerkzeugs aufgenommen und bei einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur, an oder in der Halterungsplatte bzw. dem Oberwerkzeug verklemmt sein. Hierdurch kann insbesondere eine rasche und präzise Anpassung an jeweilige Baugruppen erfolgen, bei denen die verschiedenen Komponenten eine unterschiedliche Höhe aufweisen. So können beispielsweise die ersten Pressstempel bei der ersten, d.h. niedrigen Temperatur soweit an die zu verbindenden Baugruppen oder eine entsprechende Richtlehre angenähert werden, bis alle Kontaktflächen der ersten Pressstempel mit jeweils zugeordneten Bauteilen in Kon-takt stehen. Dabei werden diejenigen Pressstempel, die mit relativ hohen Komponenten oder Bauteilen in Kontakt stehen, weiter versetzt als diejenigen Pressstempel, die mit Komponenten oder Bauteilen mit vergleichsweise niedriger Höhe in Kontakt stehen. Wenn sich die Pressstempel bezüglich ihrer Längsposition an die Bauteile bzw. die Baugruppen angepasst haben, erfolgt eine Temperaturerhöhung der ersten Pressstempel und der Halterungsplatte des Oberwerkzeugs. Dadurch werden die ersten Pressstempel an oder in der Halterungsplatte verklemmt und somit bezüglich ihrer Längs- oder Axialposition fixiert. Durch das Ver-klemmen wird ein Kraftschluss zwischen den ersten Pressstempeln und der Halterungs-platte hergestellt.
Vorteilhaft kann durch die getrennt betreibbaren Heiz- oder Kühlvorrichtungen im llnter- und Oberwerkzeug, insbesondere in den dazugehörigen Pressstempeln ein definierbarer Temperaturgradient zwischen Oberstempel und Unterstempel während des Sintervorgangs bereitstellbar sein. In der Regel ist ein wärmeempfindlicher oberer Teil der Baugruppe, z.B. ein Leistungshalbleiterbauteil dem Oberwerkzeug zugewandt, während ein wärmeunempfindlicher, und vorteilhaft gut wärmeleitfähiger unterer Teil der Baugruppe, beispielsweise ein Kühlkörper dem Unterwerkzeug zugewendet ist. Eine Sinterverbindung soll zwischen Unterseite des oberen Teils und dem unteren Teil der Baugruppe, in der Regel bei Vorsehen einer Sinterpasten-Zwischenschicht verbunden werden. Um eine Grenztemperatur des oberen Teils nicht zu überschreiten kann der Oberstempel entlang einer Temperaturkurve mit niedrigeren Temperaturkurven gegenüber einer Temperaturkurve mit höheren Temperaturen des Oberstempels während des Sintervorgangs erwärmt bzw. abgekühlt werden. Beispielsweise kann ein Temperaturgradient von 50°C bis 100°C zwischen den heißeren, unteren zweiten Pressstempeln und den kühleren, oberen ersten Pressstempel zumindest bei Erreichung der Sintertemperatur eingestellt werden.
Wenn im Oberwerkzeug und/oder im Unterwerkzeug eine einzelne Antriebsvorrichtung eingesetzt wird, so kann diese beispielsweise als einfach wirkender Hydraulikzylinder für den jeweils zugeordneten einzelnen oder mehreren ersten und/oder zweiten Pressenstempeln ausgebildet sein. Der einfach wirkende Hydraulikzylinder kann eine große Kolbenfläche aufweisen, die im Wesentlichen der Anordnungsfläche der Baugruppen auf dem Trägerrahmen überdecken kann. Eine Rückstellung des einfach wirkenden Hydraulikzylinders kann beispielsweise über ein Federmittel erfolgen, oder über ein anderes Rückstellorgan. Insoweit kann darauf verzichtet werden, hydraulisch gespannt auf eine Pressebene zu wirken, und einen aufwändig, doppeltwirkenden Hydraulikzylinder einzusetzen, sondern der einfach wirkende Hydraulikzylinder kann als Zylinderblock frei verfahren, so dass die Hydraulikpressvorrichtung kostengünstig bereitstellbar ist und geringe Anforderungen an die Hydrauliksteuerung stellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können sich die ersten Presstempel gegenüber einer Druckplatte des Oberwerkzeugs abstützen, wobei die zumindest eine Antriebsvorrichtung des Unterwerkzeugs, insbesondere eine jedem zweiten Presstempel zugeordnete jeweilige Antriebsvorrichtung, über den zumindest einen zweiten Pressstempel eine Wirkrichtung der Presskraft P in Richtung des Oberwerkzeugs aufbringt. Alternativ kann der zumindest eine zweite Pressstempel sich gegenüber einer Druckplatte des Unterwerkzeugs abstützen, bzw. aus dieser gebildet sein, wobei die zumindest eine Antriebsvorrichtung des Oberwerkzeugs insbesondere eine jedem ersten Presstempel zugeordnete jeweilige Antriebsvorrichtung, eine Wirkrichtung der Presskraft P in Richtung des Unterwerkzeugs aufbringen. In dieser Ausführungsform kann entweder im Oberwerkzeug oder im Unterwerkzeug zumindest eine Antriebsvorrichtung zur Aufbringung einer Presskraft in Wirkrichtung hin zum Unterwerkzeug bzw. zum Oberwerkzeug angeordnet sein. Sofern im Oberwerkzeug zumindest eine Antriebsvorrichtung vorgesehen ist, kann die Presskraft beispielsweise über eine Druckplatte auf die ersten Pressstempel mit Wirkrichtung hin zum Unterwerkzeug übertragen werden. Alternativ können im Oberwerkzeug jedem der ersten Pressstempel separat zugeordnete jeweilige Antriebsvorrichtungen (Multiantriebe) angeordnet sein, die individuell Presskräfte auf die ersten Pressstempel ausüben können. In diesem Fall kann der zweite Presstempel beispielsweise als Druckplatte im Unterwerkzeug ausgebildet sein. Alternativ können eine Vielzahl zweiter Pressstempel statisch fest im Unterwerkzeug die Baugruppen gegenüber dem Unterwerkzeug abstützen. Alternativ kann zumindest eine Antriebsvorrichtung im Unterstempel vorgesehen sein. Diese kann z.B. den als Druckplatte ausgebildeten zweiten Pressstempel, oder mehrere, statisch mit der Antriebsvorrichtung verbundene zweite Pressstempel in Wirkrichtung der Presskraft Richtung Oberstempel versetzen. Gleichwohl können im Unterwerkzeug auch jedem der mehreren, insbesondere jedem einem ersten Pressstempel zugeordnete zweite Pressstempel separat zugeordnete jeweilige Antriebsvorrichtung (Multiantrieb) angeordnet sein, die individuell Presskräfte auf die zweiten Pressstempel ausüben können. Insoweit sieht diese Ausführungsform eine gemeinsame Antriebsvorrichtung oder Multiantriebe für die ersten oder zweiten Pressstempel entweder im Oberwerkzeug oder im Unterwerkzeug vor.
Alternativ zur vorgenannten Ausführungsform kann in einer vorteilhaften weiteren Ausführungsform den mehreren ersten Pressstempeln eine jeweilige Antriebsvorrichtung des Oberwerkzeugs und den mehreren zweiten Pressstempel eine Antriebsvorrichtung des Unterwerkzeugs zugeordnet ist, wobei jede elektronische Baugruppe beidseitig durch die Antriebsvorrichtungen des Oberwerkzeugs und des Unterwerkzeugs durch gegenläufige Wirkrichtungen der Presskräfte P beaufschlagbar sein. In dieser Ausführungsform wird ein sandwichartiges gegenläufiges Verpressen der Baugruppen durch zumindest eine Antriebsvorrichtung des Oberwerkzeugs und des Unterwerkzeugs vorgeschlagen. Die Antriebsvorrichtung des Oberwerkzeugs kann als Einzelantrieb beispielsweise über eine Druckplatte Presskräfte auf die ersten, auf den Baugruppen aufgelegten Pressstempel verteilen. Alternativ können für jeden ersten Pressstempel separat zugeordnet eine jeweilige Antriebsvorrichtung vorgesehen sein. Gleiches gilt für die Antriebsvorrichtung des Unterwerkzeugs. Diese kann entweder als Einzelantriebsvorrichtung vorgesehen sein, die eine Presskraft in Wirkrichtung zum Oberwerkzeug beispielsweise über eine als Druckplatte ausgebildeten zweiten Pressstempel oder auf der Antriebsvorrichtung statisch angeordneten mehreren zweiten Pressstempel aufbringen. Alternativ können für jeden zweiten Pressstempel separat zugeordnet eine jeweilige Antriebsvorrichtung vorgesehen sein. Im Gegensatz zur vorgenannten Ausführungsform können durch ein gegenseitiges Verpressen der Baugruppen durch gegenläufig arbeitende Antriebsvorrichtungen im Ober- und Unterwerkzeug individuelle Temperatur- und Druckparameter auf benachbart angeordneten Baugruppen erreicht werden, was insbesondere für eine parallele Sinterung verschiedenartiger Baugruppen vorteilhaft ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Antriebsvorrichtung hinsichtlich eines Versatzwegs und/oder einer ausgeübten Presskraft, individuell, bevorzugt hydraulisch, elektromotorisch, piezoelektrisch oder magnetorestriktiv, ansteuerbar. Bevorzugt ist ein jeweiliger erster und/oder zweiter Pressstempel einer jeweiligen Baugruppe oder einer Komponente zugeordnet. Dadurch ist es möglich, die verschiedenen Baugruppen oder einzelnen Komponenten mit einem gleichmäßigen Pressdruck zu beaufschlagen. Es wird insbesondere gewährleistet, dass jede Baugruppe individuell mit einem vorgegebenen Pressdruck beaufschlagt werden kann. Es wird u.a. vermieden, dass einzelne Baugruppen mit einem zu hohen oder zu niedrigen Pressdruck beaufschlagt werden, wie es beispielsweise bei herkömmlichen Lösungen der Fall ist, bei denen mehrere Baugruppen nur mit einem einzigen gemeinsamen Pressstempel beaufschlagt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Höhentoleranzen der Baugruppen bzw. Komponenten ausgeglichen bzw. berücksichtigt werden können. Das Einstellen der nötigen Presskraft kann beispielsweise mit Hilfe eines zugeordneten Kraft- oder Druckaufnehmers oder auch eines Wegaufnehmers erfolgen, wobei die ausgeübte Presskraft direkt durch Einstellen eines Arbeitsdrucks oder indirekt durch Einstellen eines Versatzwegs der zweiten Pressstempel erfolgen kann. Eine hydraulisch ansteuerbare Antriebsvorrichtung kann beispielsweise durch eine Anordnung von doppeltwirkenden Kolben gebildet werden, welche mittels entsprechender Steuerventile von einem gemeinsamen, druckbeaufschlagten Fluidreservoir gespeist werden können. Grundsätzlich kann jedoch auch jede Antriebsvorrichtung eine eigene Fluidquelle zur Druckerzeugung aufweisen, wodurch auf Ventile verzichtet werden kann. Eine elektromotorische Ansteuerung kann beispielsweise mit Hilfe einer einen Spindelantrieb aufweisenden Antriebsvorrichtung erfolgen. Des Weiteren können auch piezoelektrisch oder magnetostriktiv betriebene Antriebsvorrichtungen vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeder der ersten und/oder zweiten Pressstempel mit der zugeordneten Antriebsvorrichtung verbunden. Vorteilhaft sind die zweiten Pressstempel nicht aufgelegt, sondern bilden mit der zugeordneten Antriebsvorrichtung eine Einheit.
Alternativ oder zusätzlich kann jeder der ersten und/oder zweiten Pressstempel eine jeweilige Heiz- und/oder Kühlvorrichtung aufweisen. Mittels der Heiz- bzw. Kühlvorrichtung kann individuell für jeden zweiten Pressstempel und damit für jede damit in thermischem Kontakt stehende Baugruppe ein individuell steuerbarer Wärmetransfer zu oder von dieser Baugruppe erfolgen. Die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung kann zum Beispiel elektrisch betrieben sein und/oder jeweilige in den zweiten Pressstempeln vorgesehene Fluidkanäle umfassen, welche mit einer entsprechenden temperierbaren Fluidquelle in Fluidverbindung stehen. Bevorzugt ist die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung als Stiftkon- takt-Heiz- und/oder Kühlvorrichtung ausgebildet. Durch thermisch hochleitfähige, elastische Stifte kann bereits vor vollflächiger Kontaktierung der zweiten Pressstempel mit den Baugruppen eine Heiz- oder Kühltemperatur effizient übertragen und insbesondere etwaige Ausrichtungsprobleme wie Parallelitätsausgleich der Oberflächen ausgeglichen werden. Derartige Thermotransfer-Stiftkontakte sind beispielsweise in der WO 2016/091962 A1 beschrieben. Diese können bereits in einer Aufheizkammer zur Erwärmung der Baugruppe, der zweiten Pressstempel und/oder der Druckplatte genutzt werden. Vorzugsweise werden in einer kombinierten Temperaturregelung der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung die Temperaturen der ersten und zweiten Pressstempel simultan und unter Einhaltung eines vordefinierbaren Temperaturgradienten zwischen jeweiligem ersten und zugeordnetem zweiten Pressstempel geregelt. Hierdurch können temperatursensitive Teile der Baugruppen vor thermischer Überlastung geschützt werden. Des Weiteren können auch nach einer Vielzahl wiederholender Sintervorgänge identische Temperaturbedingungen an ersten und zweiten Pressstempel beibehalten werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein in die Sintervorrichtung einbringbarer Trägerrahmen vorgesehen, in welchem die Komponenten der Baugruppen, bevorzugt zusammen mit den aufgelegten ersten Pressstempeln, in lateraler Richtung geführt gehalten sind, wobei der Trägerrahmen bevorzugt den Baugruppen zugeordnete Durchbrechungen aufweist, durch welche hindurch die zweiten Pressstempeln mit den Baugruppen in mechanischen und thermischen Kontakt treten können. Die Baugruppen werden durch den Trägerrahmen abgestimmt auf ein Anordnungsraster der zweiten Pressstempel lateral ausgerichtet gelagert, wobei die laterale Ausrichtung sich auf eine Ausrichtung quer zur Pressrichtung bezieht. Während der Trägerrahmen also eine seitliche Bewegung der Komponenten verhindert, wird eine Bewegung entlang einer Wirkrichtung der Presskraft zugelassen. Die Durchbrechungen ermöglichen es, dass die zweiten Pressstempel die Komponenten aus dem Trägerrahmen ausheben können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an dem Trägerrahmen zumindest ein Führungsrahmen bevorzugt lösbar angeordnet, welcher dazu eingerichtet ist, die ersten Pressstempel in lateraler Richtung relativ zu den Baugruppen zu führen. Der Führungsrahmen verhindert somit eine Relativbewegung der aufgelegten Pressstempel relativ zu den Komponenten der Baugruppen und/oder dem Trägerrahmen. Um das Bestücken des Trägerrahmens oder ein Umkonfigurieren für unterschiedliche Baugruppen- und/oder Stempelkonfigurationen zu erleichtern, kann der zumindest eine Führungsrahmen auf den Trägerrahmen aufgesteckt sein oder auch mit diesem verschraubt sein. Beispielsweise können die Führungsrahmen erst nach dem erfolgten Einlegen der Komponenten in den Trägerrahmen angeordnet werden, woraufhin dann die ersten Pressstempel in den Führungsrahmen eingelegt werden können.
Vorzugsweise weist der Führungsrahmen einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als ein oberer Teil der Baugruppen auf. Die zu sinternde Baugruppe können aus einzelnen, gestapelten Teilen, beispielsweise Leistungshalbleiterbauteile als oberen Teil und Kühlkörper als unteren Teil der Baugruppe bestehen, die unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufweisen können. So weist ein Leistungshalbleiterbauteil eine geringere thermische Ausdehnung als ein Kühlkörper auf. Bei Erwärmung auf Sintertemperatur kann es zu einem unerwünschten relativen Verschieben der gestapelten Baugruppen zueinander kommen. Da im weiteren Bearbeitungsschritt eine exakte lagerichtige Ausrichtung der einzelnen Stapelteile der Baugruppe zueinander wichtig ist, kann vorteilhafterweise der Führungsrahmen eine derartige Wärmeausdehnung aufweisen, die die unerwünschte thermische Relativverschiebung der Baugruppenteile zueinander ausgleicht und beispielsweise die oberen Teile gleichartig thermisch zu dem oder den unteren Teilen verschiebt. Vorteilhaft kann der Führungsrahmen eine höhere thermische Ausdehnung als die oberen Teile der Baugruppen, die darin aufgenommen sind, aufweisen, und kann insbesondere aus Aluminium bestehen. Der untere Teil der Baugruppen kann beispielsweise ein Kühlkörper sein, und kann aus Kupfer oder einem ähnlich gut wärmeleitfähigen Material bestehen. Dieser dehnt sich bei Wärme aus, wobei sich ein oberer Teil der Baugruppen, beispielsweise ein Leistungshalbleiterbauteil, bei Wärme geringer ausdehnt. Um ein lagerichtiges Sintern der Leistungshalbleiterbauteile auf den Kühlkörper zu erreichen, kann der Führungsrahmen einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, um die relative Ausrichtung des oberen Teils der Baugruppen zum unteren Teil der Baugruppen bei Erwärmung anzupassen, dazu eignet sich beispielsweise Aluminium für den Führungsrahmen, gegenüber Kupfer für den unteren Teil der Baugruppen. So kann beispielsweise in nachfolgenden Prozessschritten eine elektrische Versorgungsplatine mit Anschlusskontakten der, auf einem gemeinsamen Kühlkörper oder auf individuellen Kühlkörper gesinterten, Leistungshalbleiterbauteile, vorzugsweise Umrichterbauteile wie IGBTs für eine elektrische Energieumwandlung, lagerichtig exakt verbunden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jeder der ersten und/oder zweiten Pressstempel einen axial entlang einer Wirkrichtung der Presskraft versetzbaren Stempelkörper und eine mit einer Komponente der Baugruppe kontaktierbare Kontaktfläche auf, wobei die Kontaktfläche relativ zum Stempelkörper um zumindest eine Raumachse kippbar gelagert ist. Bevorzugt ist jedoch die Kontaktfläche um zwei kartesische Raumachsen kippbar, wobei die dritte Raumachse dieses kartesischen Raumachsensystems entlang der Wirkrichtung der Presskraft verläuft. Die Kontaktfläche ist damit sozusagen kardanisch gegenüber dem Stempelkörper beweglich, so dass sich die Kontaktfläche gleichmäßig an die mit ihr in Berührung stehende Komponente anlegen kann. Damit wird im Unterschied zu einer starr ausgerichteten Kontaktfläche, welche unter Umständen gegenüber der von ihr kontaktierten Komponente verkippt sein kann, das Auftreten von Kraftspitzen oder Kraftgradienten innerhalb der Komponenten vermieden und die Presskraft gleichmäßig verteilt. Die Ausrichtung der Kontaktfläche erfolgt dabei selbsttätig. Die kippbare Lagerung der Kontaktfläche relativ gegenüber dem Stempelkörper kann beispielsweise durch eine elastische Ausgleichsschicht bewirkt werden. Ein jeweiliger Pressstempel kann beispielsweise auch zweigeteilt sein und neben dem genannten Stempelkörper noch einen weiteren Stempelkörper umfassen, welcher die genannte Kontaktfläche aufweist, wobei beide Teile der Stempelkörper über die genannte elastische Ausgleichsschicht verbunden sind oder eine andere, eine Kippung zulassende Lagerung vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind einem jeweiligen zweiten Pressstempel mehrere nebeneinander angeordnete erste Pressstempel zugeordnet. Alternativ können einem jeweiligen ersten Pressstempel mehrere nebeneinander angeordnete zweite Pressstempel zugeordnet sein. Insbesondere können die einem zweiten bzw. ersten Pressstempel zugeordneten ersten bzw. zweiten Pressstempel unterschiedliche Höhen aufweisen. Hierdurch können auch solche Baugruppen gesintert werden, bei denen beispielsweise mehrere Bauelemente mit unterschiedlicher Höhe auf einem planen Substrat angeordnet werden sollen. Die Bemessung der Höhe der ersten bzw. zweiten Pressstempel erfolgt derart, dass die der Druckplatte zugewandten Kontaktflächen der ersten bzw. zweiten Pressstempel in einer gemeinsamen Ebene liegen. Vorteilhaft können die ersten Pressstempel im Rahmen einer Fließfertigung durch eine Transportvorrichtung, insbesondere unter Umgehung der Sintervorrichtung nach Abschluss des Sintervorgang, von einer Entladestation nach der Sintervorrichtung zurück zu einer Beladestation vor der Sintervorrichtung, wie sie beispielsweise in den WO 2021/069328 A1 beschrieben ist, transportiert werden. Somit ist ein Serienfertigungsprozeß gewährleisten, der mit hohen Taktraten eine große Anzahl von zu verbindenden Bauteilen sintern kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum gleichzeitigen Verbinden von Komponenten mehrerer nebeneinander angeordneter elektronischer Baugruppen mittels Drucksintern in einer Sintervorrichtung, welche insbesondere nach einer der vorhergehenden erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsformen ausgestaltet ist, wobei die Sintervorrichtung mehrere erste Pressstempel und zumindest einen, insbesondere mehrere zweite Pressstempel umfasst, zwischen denen die Baugruppen aufgenommen sind, wobei jeder der ersten Pressstempel, und/oder der zumindest zweite Pressstempel zum Ausüben einer Presskraft auf eine der Baugruppen mittels einer zugeordneten Antriebsvorrichtung axial entlang einer Wirkrichtung der Presskraft versetzbar ist, umfasst die Schritte
Auflegen der ersten Pressstempel auf die Baugruppen,
Einbringen der Baugruppen zusammen mit den ersten Pressstempeln in die Sintervorrichtung in eine auf die zweiten Pressstempel ausgerichtete Position, und Durchführen des Sintervorgangs mittels Betätigens der Antriebsvorrichtung, um die ersten Pressstempel und/oder den zumindest zweiten Pressstempel zum Erzeugen des Pressdrucks aus einer Ruheposition in eine Arbeitsposition zu versetzen, in welcher die Baugruppen gemeinsam zwischen den ersten Pressstempeln und dem zumindest zweiten Pressstempel verpresst werden, welcher zum Aufbringen einer Gegenkraft den ersten Pressstempeln gegenüberliegend angeordnet ist.
Durch das Auflegen der ersten Pressstempel auf die Baugruppen und dem gemeinsamen Einbringen der Baugruppen in die Sintervorrichtung können die ersten Pressstempel in einfacher Weise konfiguriert werden, was sowohl das Anordnen von ersten Press- stempeln geeigneter Größe als auch deren exaktes Ausrichten relativ zu den Baugruppen bzw. indirekt auch zu der Anordnungsgeometrie des bzw. der zweiten Pressstempel umfasst.
Das Einbringen der Baugruppen zusammen mit den ersten Pressstempeln in die Sintervorrichtung kann vorteilhafterweise mit Hilfe eines Trägerrahmens erfolgen, in welchem die Komponenten der Baugruppen zusammen mit dem aufgelegten Pressstempel in lateraler Richtung geführt gehalten sind. Der Trägerrahmen kann bevorzugt den Baugruppen zugeordnete Durchbrechung aufweisen, durch welche hindurch die zweiten Pressstempel mit den Baugruppen in mechanischen und thermischen Kontakt treten können. Die Baugruppen können während des Versetzens des bzw. der zweiten Pressstempel in die Arbeitsposition aus dem Trägerrahmen ausgehoben werden. Um zu verhindern, dass während des Aushebens die ersten Stempel seitlich oder lateral verrutschen, bevor sie mit der Druckplatte in Kontakt treten und durch die sich aufbauende Presskraft fixiert werden, kann der Trägerrahmen einen Führungsrahmen aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, die ersten Pressstempel in lateraler Richtung relativ zu den Baugruppen zu führen. Der Führungsrahmen gewährleistet eine axiale Verschiebbarkeit der ersten Pressstempel in der Wirkrichtung der Presskraft.
Vorteilhaft weist der Führungsrahmen und / oder der T rägerrahmen komplementäre Ausrichtelemente wie Führungsstifte, Führungsnuten, Führungsausnehmen oder dergleichen auf, die eine lagerichtige Anordnung des Führungsrahmens auf dem Trägerrahmen bereitstellen. Beim Bestücken der Baugruppen auf dem Trägerrahmen kann beispielsweise ein unterer Teil der Baugruppen, beispielsweise ein Kühlkörper, der auch für mehrere aufgesetzte oberen Teile der Baugruppe als unterer Teil dienen kann, auf bzw. in den Trägerrahmen aufgesetzt werden. Hiernach kann der Führungsrahmen auf den Trägerrahmen lageausgerichtet durch Ausrichtelemente aufgesetzt werden. Der Führungsrahmen kann Durchbrechungen aufweisen, in die ein oberer Teil der Baugruppen, beispielsweise Leistungshalbleiterbauteile mit aufgelegten ersten Pressstempeln eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfasst zumindest der Schritt des Durchführens des Sintervorgangs ein Erwärmen und/oder Kühlen der ersten Pressstempels und/oder des zumindest einen, insbesondere mehreren zweiten Pressstempel. Hierdurch kann die zum Sintern erforderliche Wärme über die Pressstempel auf die Baugruppen übertragen werden und gegebenenfalls zusätzlich auch ein gezieltes Abkühlen erfolgen. Vorzugsweise kann zum Schutz des Überschreitens einer kritischen Temperatur eines oberen Teils der Baugruppe, beispielsweise eines Leistungshalbleiterbauteils, der erste, obere Presstempel während des Sintervorgangs ein niedrigeres Temperaturniveau als der zweite, untere Pressstempel, der beispielsweise einem Kühlkörper zugewandt ist, einhalten. Ein Thermotransfer kann bevorzugt über eine elastische Thermotransfervorrichtung, wie aus der WO 2016/091962 A1 bekannt, erfolgen. Bevorzugt wird der bzw. die zweiten Pressstempel beheizt bzw. gekühlt, wobei die ersten Pressstempel vor oder nach Auflegen auf die Baugruppen vorgewärmt werden, und aufgrund ihrer thermischen Speicherkapazität ein vorbestimmbares Temperaturniveau einhalten. Somit kann ggf. auf eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung im Oberwerkzeug verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Betätigen verschiedener Antriebsvorrichtungen zum Versetzen der ersten und/oder zweiten Pressstempel in die Arbeitsposition zeitlich versetzt. Das Betätigen der verschiedenen Antriebsvorrichtungen zum Versetzen der ersten und/oder zweiten Pressstempel von der Arbeitsposition zurück in die Ruheposition kann in der gleichen zeitlichen Reihenfolge, zeitgleich oder auch in umgekehrter zeitlicher Reihenfolge erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das zeitlich versetzt erfolgende Betätigen verschiedener Antriebsvorrichtungen derart, dass zunächst zumindest eine in einem zentralen Bereich angeordnete Antriebsvorrichtung betätigt wird und mit einem zeitlichen Abstand weiter außenliegende Antriebsvorrichtungen betätigt werden. Beispielsweise kann bei einer Anordnung von neun Pressstempeln in drei Reihen zu je drei Pressstempeln der mittlere Pressstempel zuerst und nachfolgend die ihn umgebenden weiter außen liegenden Pressstempel versetzt werden. Durch ein vorzeitiges Anheben des zentralen Bauteils bzw. zentraler Baugruppen kann vorteilhaft der vorgenannte Führungsrahmen mit angehoben und alle darin aufgenommenen oberen Pressstempel, bzw. oberen Teile der Baugruppen mit oberen Pressstempel mit angehoben und zentriert werden, bevor die weiteren, peripheren Pressstempel pressen. Damit kann ein vorzeitiges Ausrichten der Baugruppen gegenüber den oberen und unteren Pressstempeln bzw. oberen und unteren Antriebsvorrichtungen erreicht werden. Vorteilhaft umfasst der Führungsrahmen drei Gruppen von jeweils drei Baugruppen, ggf. auch vier Gruppen von jeweils drei Baugruppen, wobei jeweils die mittlere Antriebsvorrichtung innerhalb einer Gruppe vorzeitig die mittlere Baugruppe mit oberen Pressstempel und Führungsrahmen aus dem Trägerrahmen aushebt.
Bevorzugt findet zumindest der Sintervorgang unter einer Prozessatmosphäre, insbesondere unter einer sauerstofffreien, oxidationsvermeidenden Prozessatmosphäre, vorzugsweise bei einem Unterdrück und insbesondere unter Vakuum statt.
Vorteilhaft kann für eine Kalibrierung und/oder Verifikation der Sintervorrichtung und des Sinterverfahrens ein Messträgerrahmen vorgesehen sein, der ggf. auch einen Messführungsrahmen, und in geometrischer Form lagerichtig angeordnete und geometrisch nachgebildete Baugruppen umfasst, wobei in oder an den nachgebildeten Baugruppen Drucksensoren und/oder Temperatursensoren vorgesehen sein können, die beispielsweise beim Einrichten oder Kalibrierung der Sintervorrichtung zunächst durch die Sintervorrichtung geschleust und mit den vorgesehenen Sinterdrücken und Sintertemperaturen beaufschlagt werden, um eine Verifikation und Kalibrierung des Sinterverfahrens zu ermöglichen. Die Daten der Druck- und/oder Temperatursensoren können zur Einstellung von Prozessparametern und zum Test der ordnungsgemäßen Funktion der Sintervorrichtung herangezogen werden.
Vorzugsweise erfolgt die Heiz- und/oder Kühltemperaturübertragung mittels mechanischer Kontaktstiftkühlung. Ggf. kann auch Wärmestrahlungsübertragung, beispielsweise mittels Induktionsheizung, Infrarotheizstrahlern oder Konvektionstemperaturübertragung durch Prozessgasumwälzung genutzt werden.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung und der zugehörigen Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird der Fachmann auch Merkmale, die in Bezug auf Ausführungsformen der Sintervorrichtung beschrieben wurden, bei Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz bringen und umgekehrt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer Sintervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht auf einen T rägerrah- men der Sintervorrichtung von Fig. 1 mit eingelegten Komponenten;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Trägerrahmens von Fig. 2 zusätzlich mit aufgelegten ersten Pressstempeln und Führungsrahmen;
Fig. 4 bis 7 schematische Querschnittsansichten der Sintervorrichtung von
Fig. 1 in verschiedenen Betriebspositionen;
Fig. 8 eine schematische Längsschnittansicht einer Sintervorrichtung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels; und
Fig. 9 eine schematische Längsschnittansicht einer Sintervorrichtung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 und 4 bis 7 zeigen eine Sintervorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, welche ein Oberwerkzeug 12 und ein Unterwerkzeug 14 umfasst. Im ersten Ausführungsbeispiel wird eine Sintervorrichtung 10 betrachtet, in dem die ersten Pressstempel 16 sich statisch gegenüber einer Druckplatte 20 des Oberwerkzeugs 12 abstützen, wobei mehrere, jeweils durch separate Antriebsvorrichtungen 28, 28.2 versetzbare zweite Pressstempel 18 des Unterwerkzeugs 14 versetzbar sind. Die Sintervorrichtung 10 kann ein massives Pressengestell umfassen, welches eine evakuierbare Prozesskammer umgrenzen kann, wobei sich das Oberwerkzeug 12 und das Unterwerkzeug 14 an dem Pressengestell abstützen.
Das Oberwerkzeug 12 umfasst eine plane Druckplatte 20, welche eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) aufweisen kann. Das Unterwerkzeug 14 umfasst eine Anordnung von zweiten Pressstempeln 18, wobei jedem zweiten Pressstempel 18 eine Antriebsvorrichtung 28 zugeordnet ist. Die Antriebsvorrichtungen 28 können beispielsweise jeweils als eine hydraulisch betriebene Kolben-Zylinder-Anordnung ausgestaltet sein, welche mittels eines druckbeaufschlagten Hydraulikfluids betrieben wird, um ein Heben oder Senken des zugeordneten zweiten Pressstempels 18 zu bewirken. Die zweiten Pressstempel 18 können ebenfalls Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen aufweisen, beispielsweise Fluidkanäle welche von temperierbarem Fluid durchströmt werden oder IR- basierte, elektrische oder induktive Heizelemente.
Zwischen den zweiten Pressstempeln 18 des Unterwerkzeugs 14 und der Druckplatte 20 des Oberwerkzeugs 12 ist ein Arbeitsraum 40 definiert, in den ein Trägerrahmen 30 eingesetzt oder eingeschoben werden kann, auf welchem die Komponenten der zu verbindenden Baugruppen 22 gelagert sind.
Mit Bezug auf Fig. 2 und 3 wird die Funktionsweise des Trägerrahmens 30 näher erläutert. Der Trägerrahmen 30 umfasst einen Außenrahmen 34 mit einer zentralen Öffnung, in welcher ein Innenrahmen 36 angeordnet ist. In den Innenrahmen 36 sind im Ausführungsbeispiel insgesamt fünf Substrate 24 eingelegt und seitlich geführt gehalten, beispielsweise Kühlkörper oder Trägerplatten für ein Leistungshalbleiterbauteil, auf welchem jeweils drei Bauelemente 26 aufgelegt sind, beispielsweise Halbleiter-Einheiten oder sogenannte Molds, in welchen jeweils mehrere Halbleiterbauelemente bereits vorab zusammengefügt und vergossen sind. Auf die Bauelemente 26 sind wiederum jeweilige erste Pressstempel 16 aufgelegt, wobei jeweils drei, einem jeweiligen Substrat 24 zugeordnete erste Pressstempel 16 in einem Führungsrahmen 32 lateral geführt gelagert sind. Jeder Führungsrahmen 32 erstreckt sich demnach über ein jeweiliges Substrat 24. Der Trägerrahmen 30 weist durch die Substrate 24 überdeckte Öffnungen oder Durchbrechungen auf, durch welche hindurch die zweiten Pressstempel 18 hindurch in direkten Kontakt mit den Baugruppen 22 bzw. den Substraten 24 treten können.
Mit der dargestellten beispielhaften Sintervorrichtung 10 können insgesamt fünf Baugruppen 22 mittels Drucksintern verbunden werden, wobei jede Baugruppe 22 ein gemeinsames Substrat 24 und drei in Reihe darauf angeordnete Bauelemente 26 umfasst. Dementsprechend sind die zweiten Pressstempel 18 einschließlich der zugeordneten Antriebsvorrichtungen 28 in einer Matrix mit fünf Reihen zu jeweils drei zweiten Pressstempeln 18 bzw. drei Antriebsvorrichtungen 28 angeordnet. Die aufgelegten ersten Pressstempel 16, die Bauelemente 26, die zweiten Pressstempel 18 und die Antriebsvorrichtungen 28 sind jeweils zueinander ausgerichtet, d.h. die genannten Komponenten befinden sich in jedem der fünfzehn Stapel in Draufsicht, d.h. in Wirkrichtung einer Presskraft P, senkrecht übereinander angeordnet.
Das Bestücken des Trägerrahmens 30 mit den Baugruppen 22, den Führungsrahmen 32 und den ersten Pressstempeln 16 erfolgt vorzugsweise außerhalb der Sintervorrichtung 10. Nach erfolgtem Bestücken wird der Trägerrahmen 30 einschließlich der darauf angeordneten Elemente in die Sintervorrichtung 10 eingeschoben. Eine entsprechende Ruheposition ist in Fig. 1 dargestellt, in der die Sintervorrichtung 10 in einem Längsschnitt dargestellt ist, so dass dort insgesamt eine Reihe mit fünf Pressstempeln 16, 18 sowie entsprechend auch fünf Baugruppen 22 und fünf Antriebsvorrichtungen 28 sichtbar sind. Im Unterschied hierzu stellen die in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Schnittansichten Querschnitte dar, so dass jeweils dort nur eine Baugruppe 22 mit einem Substrat 24 und drei aufgelegten Bauelementen 26 sichtbar ist. Entsprechend sind auch nur drei Pressstempel 16, 18 und drei Antriebsvorrichtungen 28 dargestellt.
Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, können die zweiten Pressstempel 18 einen zweigeteilten Stempelkörper 42 mit einem der Druckplatte 20 zugewandten oberen Stempelkörper 44 und einem der zugeordneten Antriebsvorrichtung 28 zugewandten unteren Stempelkörper 46 aufweisen. Die Kontaktfläche 48 zwischen dem oberen Stempelkörper 44 und dem unteren Stempelkörper 48 ist als Kugelfläche ausgebildet und ermöglicht es, dass sich der obere, mit der Baugruppe 22 in Kontakt stehende Stempelkörper 44 an deren Unterseite durch eine kleine Gleitbewegung entlang der Kugelfläche selbsttätig ausrichten kann. Dadurch wird das Auftreten von Druckspitzen innerhalb der Baugruppe 22 vermieden.
Gemäß einer Ausgestaltung eines Betriebsverfahrens zum Betrieb der Sintervorrichtung 10 wird gemäß Fig. 4 zunächst nur die mittleren einer jeweiligen Baugruppe 22 zugeordneten zweiten Pressstempel 18 angehoben. Gemäß Fig. 5 werden die äußeren zweiten Pressstempel 18 mit zeitlicher Verzögerung angehoben, so dass zwischen den Oberseiten der zweiten Pressstempel 18 vorübergehend ein gewisser Höhenversatz auftreten kann. Sobald die zweiten Pressstempel 18 in Kontakt mit der Unterseite eines jeweiligen Substrats 24 einer Baugruppe 22 gelangen, wird diese Baugruppe 22 aus dem Trägerrahmen 30 in Wirkrichtung der Presskraft ausgehoben, wobei zugleich auch die aufgelegten ersten Pressstempel 16 aus dem zugeordneten Führungsrahmen 32 ausgehoben werden.
Gemäß Fig. 6 gelangen die ersten Pressstempel 16 bei fortschreitendem Anheben in Kontakt mit der Druckplatte 20, wobei sich eine der von den Antriebsvorrichtungen 28 erzeugten Presskraft P entgegengerichtete Gegenkraft aufbaut, so dass es zu einem Druckanstieg innerhalb der Baugruppen 22 kommt. Durch ein Heizen der Druckplatte 20 bzw. der zweiten Pressstempel 18 wird die zum Drucksintern erforderliche Wärme bereitgestellt.
Die in Fig. 6 dargestellte Arbeitsposition der Sintervorrichtung 10 wird für eine vorgegebene Zeitdauer gehalten, bis das Ausbilden der Sintervorrichtung zwischen den Komponenten der Baugruppen 22 abgeschlossen ist.
Nach erfolgtem Sintervorgang werden gemäß Fig. 7 die Antriebsvorrichtungen 28 wiederum betätigt, um die zweiten Pressstempel 18 entgegen der Wirkrichtung der Presskraft P abzusenken. Dadurch werden ebenfalls die Baugruppen 22 einschließlich der aufgelegten Pressstempel 16 abgesenkt und fallen zurück in den Trägerrahmen 30 bzw. den Führungsrahmen 32. Nach Beendigung des Absenkvorgangs kann der Trägerrahmen 30 mit den darin aufgenommenen gesinterten Baugruppen 22 aus der Sintervorrichtung 10 herausgefahren werden und ein weiterer Trägerrahmen 30 mit zu sinternden Baugruppen 22 eingeschoben werden, um erneut einen Sintervorgang durchzuführen. Die weiteren Figs. 8 und 9 stellen alternative zweite und dritte Ausführungsformen einer Sintervorrichtung 10 dar, in dem ein Multiantrieb, umfassend mehrere Antriebsvorrichtungen 28, 28.1 , 28.2 sowohl im Oberwerkzeug 12 angeordnet ist, siehe Fig. 8 bzgl. der zweiten Ausführungsform oder sowohl im Oberwerkzeug 12 als auch im Unterwerkzeug 14 vorgesehen sind, siehe Fig. 9 bzgl. der dritten Ausführungsform. Grundsätzlich orientieren sich die zweite und dritte Ausführungsform der Fig. 8, 9 an der Ausgestaltung der ersten Ausführungsform, die ausführlich bzgl. der Figs. 1 bis 7 beschrieben ist. Somit sollen im Folgenden lediglich die abweichenden Merkmale beschrieben werden.
Die in der Fig. 8 dargestellten Ausführungsform 10 unterscheidet sich von der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass jeweils separate Antriebsvorrichtungen 28.1 den ersten Pressstempel 16 zugeordnet sind, und im Oberwerkzeug 12 angeordnet sind. Im Unterwerkzeug ist eine Druckplatte 20 vorgesehen, die als zweite Pressstempel 18 wirkt. Die Druckplatte 20 stützt die Baugruppen 22 im Unterwerkzeug 14 während des Sintervorgangs ab. Sobald der Trägerrahmen 30 mit Baugruppen 22 und Führungsrahmen 22 in den Arbeitsraum 40 mit aufgelegten ersten Pressstempel 16 eingeführt ist, z.B. im Rahmen einer Fließfertigung durch eine nicht dargestellte Transportvorrichtung, z.B. aus einer Vorheizkammer in eine vakuumierbare Prozesskammer der Sintervorrichtung 10 transportiert ist, können die Antriebsvorrichtungen 28.1 auf der Oberseite der ersten Pressstempel 16 aufsetzen und eine Presskraft P auf die Baugruppen 22 mit Wirkrichtung hin zum Unterwerkzeug 14 bereitstellen. Eine geeignete Transportvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2021/069328 A bekannt. Die Vorheizkammer kann vorzugsweise eine induktive Temperaturerhöhung, insbesondere des unteren Teils, der Baugruppe, bevorzugt eines Kühlkörpers bewirken und kann insoweit leitfähige Induktionsspulen, die einen geringen Abstand zu induktionserwärmbaren Bereichen der Baugruppe und/oder des Trägerrahmens 30 aufweisen, umfassen.
Die Fig. 9 stellt eine dritte Ausführungsform 10 dar, die im Wesentlichen eine Kombination der Ausführungsformen der Figs. 1 und 8 darstellen. Während nach Fig. 1 die ersten Pressstempel 16 der ersten Ausführungsform durch eine Druckplatte 20 im Oberwerkzeug 12 abgestützt wird, und in Fig. 8 die zweiten Pressstempel 18 als Druckplatte 20 im Unterwerkzeug 14 ausgebildet ist, verzichtet die dritte Ausführungsform der Fig. 9 auf eine Druckplatte. Im Oberwerkzeug 12 sind mehrere Antriebsvorrichtungen 28.1 angeordnet, die jeweils einem ersten Presstempel 16 zugeordnet sind. Im Unterwerkzeug 14 sind mehrere Antriebsvorrichtungen 28.2 angeordnet, die jeweils einen zweiten Pressstempel 18 versetzbar antreiben. Hierzu weist der Trägerrahmen 30 Durchbrüche 52 auf, durch die die zweiten Pressstempel 18 hindurchwirken können. Die Pressstempel 18 weisen federnde Stiftkontakt-Thermotransfervorrichtungen 50 auf, um eine schnelle Wärmeübertragung und Unebenheiten und Nichtparallelitäten zwischen der Oberfläche der Pressstempel 18 und der Unterseite der Baugruppen 22 ausgleichen zu können.
Jede Baugruppe 22 wird sandwichartig von einer Antriebsvorrichtung 28.1 und Antriebsvorrichtung 28.2 verpresst, wobei Temperatur, Druck, Verfahrweg etc. für jede Baugruppe 22 separat einstellbar sind. Die dritte Ausführungsform eignet sich insbesondere für ein paralleles Sintern heterogener Baugruppen 22.
Die Prozessatmosphäre in der Sintervorrichtung 10 ist bevorzugt einstellbar, so ist ein Spülen mit einem Reinigungsgas wie Ameisensäure möglich, auch ein Entzug von Sauerstoff zur Oxidationsverhinderung ist vorteilhaft möglich, bis hin zu einem Vakuum.
Bezugszeichenliste
10 Sintervorrichtung
12 Oberwerkzeug
14 Unterwerkzeug
16 erster Pressstempel
18 zweiter Pressstempel
20 Druckplatte
22 Baugruppe
24 Substrat
26 Bauelement
28, 28.1, 28.2 Antriebsvorrichtung, Antriebsvorrichtung des Oberwerkzeugs,
Antriebsvorrichtung des Unterwerkzeugs
30 Trägerrahmen
32 Führungsrahmen
34 Außenrahmen
36 Innenrahmen
40 Arbeitsraum
42 Stempelkörper
44 oberer Stempelkörper
46 unterer Stempelkörper
48 Kontaktfläche
50 Stiftkontakt-Thermotransfervorrichtung
52 Durchbrechungen im Trägerrahmen
P Wirkrichtung der Presskraft

Claims

Patentansprüche Sintervorrichtung (10) zum gleichzeitigen Verbinden von Komponenten mehrerer nebeneinander angeordneter elektronischer Baugruppen (22) mittels Drucksintern, mit einem Oberwerkzeug (12) und einem Unterwerkzeug (14), umfassend mehrere erste Pressstempel (16), die dem Oberwerkzeug (12) zuordenbar sind, und zumindest einen, insbesondere mehrere zweite Pressstempel (18), die dem Unterwerkzeug (14) zugeordnet sind, zwischen denen die Baugruppen (22) aufgenommen sind, wobei jedem der ersten Pressstempel (16) und / oder jedem der zumindest einen zweiten Pressstempel (18) eine Antriebsvorrichtung (28, 28.1 , 28.2) zugeordnet ist, welche zum Ausüben einer Presskraft auf eine der Baugruppen (22) durch ein axiales Versetzen des zugeordneten ersten Pressstempels (16) und / oder des zugeordneten zweiten Pressstempels (18) entlang einer Wirkrichtung der Presskraft (P) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Pressstempel (16) auf die Baugruppen (22) vor Beginn des Pressvorgangs aufgelegt sind, und während des Aufbringens der Presskraft die Baugruppen (22) gegen den zumindest einen zweiten Pressstempel (18) verpressen. Sintervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Presstempel (16) gegenüber einer Druckplatte (20) des Oberwerkzeugs (14) abstützen, wobei die zumindest eine Antriebsvorrichtung (28, 28.2) des Unterwerkzeugs (14), insbesondere eine jedem zweiten Presstempel (18) zugeordnete jeweilige Antriebsvorrichtung (28, 28.2), über den zumindest einen zweiten Pressstempel (18) eine Wirkrichtung der Presskraft (P) in Richtung des Oberwerkzeugs (12) aufbringt, oder dass der zumindest eine zweite Pressstempel (18) sich gegenüber einer Druckplatte (20) des Unterwerkzeugs (14) abstützt, bzw. aus dieser gebildet ist, wobei die zumindest eine Antriebsvorrichtung (28, 28.1) des Oberwerkzeugs (12) insbesondere eine jedem ersten Presstempel (16) zugeordnete jeweilige Antriebsvorrichtung (28, 28.1), eine Wirkrichtung der Presskraft (P) in Richtung des Unterwerkzeugs (14) aufbringen. Sintervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass den mehreren ersten Pressstempel (16) eine Antriebsvorrichtung (28, 28.1) des Oberwerkzeugs (12) und den mehreren zweiten Pressstempel (18) eine Antriebsvorrichtung (28, 28.2) des Unterwerkzeugs (14) zugeordnet ist, wobei jede elektronische Baugruppe (22) beidseitig durch die Antriebsvorrichtungen (28, 28.1 , 28.2) des Oberwerkzeugs (12) und des Unterwerkzeugs (14) durch gegenläufige Wirkrichtungen der Presskräfte (P) beaufschlagbar ist. Sintervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Antriebsvorrichtung (28, 28.1 , 28.2) hinsichtlich eines Versatzwegs und/oder einer ausgeübten Presskraft (P) individuell, bevorzugt hydraulisch, elektromotorisch, piezoelektrisch oder magnetostriktiv, ansteuerbar ist. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der zweiten Pressstempel (18) mit der zugeordneten Antriebsvorrichtung (28, 28.2) verbunden ist und/oder eine jeweilige Heiz- und/oder Kühlvorrichtung aufweist, bevorzugt eine Stiftkontakt-Thermotransfervorrichtung aufweist. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in die Sintervorrichtung (10) einbringbarer Trägerrahmen (30) vorgesehen ist, in welchem zumindest die Komponenten der Baugruppen (22), bevorzugt zusammen mit den aufgelegten ersten Pressstempeln, in lateraler Richtung geführt gehalten sind, wobei der Trägerrahmen (30) bevorzugt den Baugruppen (22) zugeordnete Durchbrechungen (52) aufweist, durch welche hindurch die zweiten Pressstempel (18) mit den Baugruppen (22) in mechanischen und thermischen Kontakt treten können. Sintervorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Trägerrahmen (30) zumindest ein Führungsrahmen (32) bevorzugt lösbar angeordnet ist, welcher dazu eingerichtet ist, die ersten Pressstempel (16) in lateraler Richtung relativ zu den Baugruppen (22) zu führen wobei vorzugsweise der Führungsrahmen (32) einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als ein oberer Baugruppen (22) aufweist. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ersten und/oder zweiten Pressstempel (18) einen axial entlang einer Wirkrichtung der Presskraft (P) versetzbaren Stempelkörper (42) und eine mit einer Komponente der Baugruppe (22) kontaktierbare Kontaktfläche (48) aufweist, wobei die Kontaktfläche (48) relativ zum Stempelkörper (42) um zumindest eine Raumachse kippbar gelagert ist. Sintervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem jeweiligen zweiten Pressstempel (18) mehrere nebeneinander angeordnete erste Pressstempel (16) zugeordnet sind, oder einem jeweiligen ersten Pressstempel (16) mehrere nebeneinander angeordnete zweite Pressstempel (18) zugeordnet sind. Verfahren zum gleichzeitigen Verbinden von Komponenten mehrerer nebeneinander angeordneter elektronischer Baugruppen (22) mittels Drucksintern in einer Sintervorrichtung (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sintervorrichtung (10) mehrere erste Pressstempel (16) und zumindest einen, insbesondere mehrere zweite Pressstempel (18) umfasst, zwischen denen die Baugruppen (22) aufgenommen sind, wobei jeder der ersten Pressstempel (16) und/oder der zumindest zweite Pressstempel (18) zum Ausüben einer Presskraft auf eine der Baugruppen (22) mittels einer zugeordneten Antriebsvorrichtung (28, 28.1 , 28.2) axial entlang einer Wirkrichtung der Presskraft (P) versetzbar ist, mit den Schritten a. Auflegen der ersten Pressstempel (16) auf die Baugruppen (22), b. Einbringen der Baugruppen (22) zusammen mit den ersten Pressstempeln in die Sintervorrichtung (10) in eine auf den bzw. die zweiten Pressstempel (18) ausgerichtete Position, c. Durchführen des Sintervorgangs mittels Betätigens der Antriebsvorrichtungen (28, 28.1 , 28.2), um die ersten Pressstempel (16) und/oder den zumindest zweiten Pressstempel (18) zum Erzeugen des Pressdrucks aus einer Ruheposition in eine Arbeitsposition zu versetzen, in welcher die Baugruppen (22) gemeinsam zwischen den ersten Pressstempeln (18) und dem zumindest zweiten Pressstempel (18) verpresst werden, welcher zum Aufbringen einer Gegenkraft den ersten Pressstempeln (16) gegenüberliegend angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zumindest der Schritt des Durchführens des Sintervorgangs ein Erwärmen und/oder Kühlen der ersten Presstempel (16) und/oder des zumindest zweiten Pressstempels (18) umfasst, wobei vorzugsweise der erste Pressstempel (16) ein niedrigeres Temperaturniveau als der zweite Pressstempel (18) einhält. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei das Betätigen verschiedener Antriebsvorrichtungen (28, 28.1 , 28.2) zum Versetzen der ersten Pressstempel (16) und/oder der zweiten Pressstempel (18) in die Arbeitsposition zeitlich versetzt erfolgt. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zeitlich versetzt erfolgende Betätigen verschiedener Antriebsvorrichtungen (28, 28.1 , 28.2) derart erfolgt, dass zunächst zumindest eine in einem zentralen Bereich angeordnete Antriebsvorrichtung (28, 28.1 , 28.2) betätigt wird und mit einem zeitlichen Abstand weiter außen liegende Antriebsvorrichtungen (28, 28.1 , 28.2) betätigt werden.
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