DE102014103013B4

DE102014103013B4 - Verfahren zum Erzeugen einer getrockneten Pastenschicht, Verfahren zum Erzeugen einer Sinterverbindung und Durchlaufanlage zur Durchführung der Verfahren

Info

Publication number: DE102014103013B4
Application number: DE102014103013.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ciliox; Christian Stahlhut; Nicolas Heuck
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: DE102014103013A1; US20150257280A1; CN104900534B; CN104900534A

Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer getrockneten Pastenschicht (3') auf einem Fügepartner (1) mit den Schritten: Bereitstellen eines Fügepartners (1), der eine Kontaktfläche (11) aufweist, auf die eine Paste (3) aufgetragen ist; Bereitstellen einer auf eine Vorheiztemperatur (T4) vorgeheizten Heizeinrichtung (4); Trocknen der auf die Kontaktfläche (11) aufgetragenen Paste (3) während einer Trocknungsphase, in der die vorgeheizte Heizeinrichtung (4) und der Fügepartner (1) einen Abstand (d14) von höchstens 5 mm aufweisen, so dass aus der Paste (3) eine getrocknete Pastenschicht (3') entsteht; wobei der Fügepartner (1) mit der auf seine Kontaktfläche (11) aufgetragenen Paste (3) vor Beginn der Trocknungsphase auf einen Transportträger (200) aufgelegt wird.

Description

Zur Herstellung von Fügeverbindungen ist es bekannt, sinterfähige Paste zwischen die Fügepartner einzubringen und die Paste zu sintern, wodurch eine feste Sinterverbindung entsteht. Diese Technologie wird unter anderem in Leistungshalbleitermodulen für Fügeverbindungen eingesetzt, die im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls einer intensiven Temperaturwechselbelastung unterworfen sind. Gegenüber herkömmlichen Fügeverbindungen wie beispielsweise Löt- oder Klebeverbindungen zeigen Sinterverbindungen eine wesentlich bessere Langzeitstabilität.
Vor dem eigentlichen Sinterprozess wird eine streichfähige Paste mit sinterfähigen Partikeln und einem Lösemittel auf zumindest einen der Fügepartner aufgetragen und dann getrocknet. Beim Trocknen, das üblicherweise in einer Trockenkammer erfolgt, wird ein Großteil des Lösemittels entfernt, so dass eine getrocknete Pastenschicht zurückbleibt. Erst die getrocknete Pastenschicht wird dann gesintert. Dieses Verfahren ist jedoch sehr zeitaufwändig, da die Trockenkammern erst bestückt und nach dem Trocknen wieder entleert werden müssen. Außerdem nimmt das Aufheizen viel Zeit in Anspruch.
In WO 2009 / 012 450 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein elektronisches Bauelement mittels einer gesinterten Paste mit einem Substrat verbunden wird. Hierzu wird die Paste, die ein Silberpulver enthält, auf das Substrat aufgetragen. Das Substrat oder die Anordnung aus dem Substrat, der Paste und dem Bauelement kann dabei vor dem Sintern getrocknet werden. Zum Trocknen können unter anderem Heißluftpistolen, IR-Lampen oder Heizplatten eingesetzt werden.
Die DE 10 2005 058 794 A1 betrifft ein getaktetes Verfahren zur Herstellung einer Drucksinterverbindung zwischen einem Substrat und einem Bauelement mit Hilfe eines dazwischen angeordneten Sintermetalls. Bei dem Verfahren wird ein Transportband eingesetzt, in dessen Förderrichtung sich aufeinanderfolgend eine Beladestation, eine Vorheizstation, eine Pressvorrichtung, eine Abkühlstation und eine Entladestation befinden. Die Vorheizstation und die Anordnung mit dem Substrat, dem Bauelement und dem dazwischen befindlichen Sintermetall befinden sich auf entgegengesetzten Seiten des Transportbandes.
Die DE 34 14 065 A1 und die EP 0 242 626 B1 beschreiben jeweils Verfahren zum Befestigen von elektronischen Bauelementen auf einem Substrat mit Hilfe einer ein Silberpulver enthaltenden Paste, die getrocknet und danach gesintert wird.
Aus der US 2010 / 0 055 839 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Halbleiterchip mittels einer Schicht aus einem gesinterten Metallpulver auf einem Träger montiert wird. Hierzu wird eine Paste, die Metallpartikel und ein Lösungsmittel enthält, auf den Träger aufgebracht und getrocknet. Das Trocknen kann mit einer Heizplatte erfolgen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren bereitzustellen, mit denen sich Sinterverbindungen schneller als bisher herstellen lassen, sowie eine Anlage zur Realisierung dieser Verfahren. Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Erzeugen einer trockenen Pastenschicht gemäß Patentanspruch 1, durch ein Verfahren zum Herstellen einer Sinterverbindung zwischen einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner gemäß Patentanspruch 16 bzw. durch eine Durchlaufanlage gemäß Patentanspruch 21 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Zum Erzeugen einer getrockneten Pastenschicht auf einem (ersten) Fügepartner wird ein (erster) Fügepartner mit einer Kontaktfläche bereitgestellt, auf die eine Paste aufgetragen ist. Weiterhin wird eine Heizeinrichtung bereitgestellt, die auf eine Vorheiztemperatur vorgeheizt ist. Die auf die Kontaktfläche aufgetragene Paste wird dann während einer Trocknungsphase getrocknet, so dass aus der Paste eine getrocknete Pastenschicht entsteht. Dabei wird der Fügepartner mit der auf seine Kontaktfläche aufgetragenen Paste vor Beginn der Trocknungsphase auf einen Transportträger aufgelegt. In der Trocknungsphase weisen der (erste) Fügepartner und die vorgeheizte Heizeinrichtung einen Abstand von höchstens 5 mm auf, wobei hierin ein Abstand von 0 mm eingeschlossen ist. Bei einem Abstand von 0 mm berühren sich der (erste) Fügepartner und die Heizeinrichtung.
Mit Hilfe dieses Trocknungsverfahrens lässt sich eine Sinterverbindung zwischen dem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner herstellen. Hierzu werden – nach dem oben beschriebenen Verfahren zum Erzeugen einer trockenen Pastenschicht – der erste Fügepartner und der zweite Fügepartner derart relativ zueinander angeordnet, dass sich die getrocknete Pastenschicht zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner befindet. Nachfolgend wird die trockene Pastenschicht während einer Sinterphase gesintert. Während der Sinterphase bleiben der erste Fügepartner und der zweite Fügepartner sowie die zwischen diesen befindliche getrocknete Pastenschicht unter Einwirkung eines Anpressdrucks ununterbrochen aneinandergepresst. Während der Sinterphase ist also die getrocknete Pastenschicht ununterbrochen zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner angeordnet und kontaktiert diese.
Die Realisierung des vorangehend geschilderten Trocknungsverfahrens kann beispielsweise mittels einer Durchlaufanlage erfolgen, die dazu ausgebildet ist, auf einer Vielzahl von Fügepartnern sequentiell jeweils eine getrocknete Pastenschicht entsprechend dem geschilderten Trocknungsverfahren zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
1A bis 1N verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Sinterverbindung zwischen zwei Fügepartnern;
2 die Herstellung einer Sinterverbindung zwischen zwei Fügepartnern in einem Durchlaufverfahren.
3 zwei Fügepartner, deren mittels einer Sinterverbindung miteinander zu verbindende Kontaktflächen jeweils durch eine Edelmetalloberfläche gebildet werden;
4 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Sinterverbindung zwischen einem Keramiksubstrat und einem Halbleiterchip;
5 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Sinterverbindung zwischen einer Bodenplatte für ein Leistungshalbleitermodul und einem Keramiksubstrat;
6 ein Ausführungsbeispiel zum Heizen eines Fügepartners mittels einer Heizeinrichtung, die mehrere Andruckstempel aufweist;
7 ein Ausführungsbeispiel zum Kühlen eines Fügepartners mittels einer Kühleinrichtung, die mehrere Andruckstempel aufweist;
8A und 8B das Aufheizen eines Fügepartners, bei dem ein elastisches und wärmeleitendes Druckelement zwischen der Heizeinrichtung und dem Fügepartner angeordnet wird;
9 das Kühlen eines Fügepartners, bei dem ein elastisches und wärmeleitendes Druckelement zwischen der Kühleinrichtung und dem Fügepartner angeordnet ist.
10 ein Ausführungsbeispiel zum Heizen eines Fügepartners mittels einer von dem Fügepartner beabstandeten Heizeinrichtung;
11A die Herstellung einer Sinterverbindung zwischen einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner in einer Durchlaufanlage, in der zum Transport des mit der Paste versehenen ersten Fügepartners ein Transportträger verwendet wird;
11B eine vergrößerte Schnittansicht der Durchlaufanlage gemäß 11A in einer Schnittebene E1-E1;
11C eine vergrößerte Schnittansicht der Durchlaufanlage gemäß 11A in einer Schnittebene E2-E2; und
12 eine 10 entsprechende Alternative von 11C, bei der die Heizeinrichtung während der Trocknungsphase dauerhaft oder vorübergehend von dem in einen Transportträger eingelegten ersten Fügepartner 1 beabstandet ist.
1A zeigt einen ersten Fügepartner 1. Dieser weist eine erste Kontaktfläche 11 auf, auf die, wie im Ergebnis in 1B gezeigt ist, eine Paste 3 aufgetragen wird. Das Auftragen kann beispielsweise im Schablonen- oder Siebdruckverfahren erfolgen, oder durch Dispensen. Die Paste 3 enthält ein Metallpulver sowie ein Lösemittel. Optional können die Pulverteilchen auch als flache Flocken ausgebildet sein. Die Paste 3 kann nach dem Auftragen auf den ersten Fügepartner 1 eine Schichtdicke d3 von beispielsweise wenigstens 5 µm und aufweisen. Kleinere oder größere Schichtdicken d3 sind jedoch ebenso möglich.
Als Metalle für das Metallpulver eignen sich vor allem Edelmetalle wie zum Beispiel Silber, Gold, Platin, Palladium, Rhodium, aber auch Nicht-Edelmetalle wie zum Beispiel Kupfer. Das Metallpulver der Paste kann vollständig aus einem der genannten Metalle bestehen oder eines dieser Metalle aufweisen, es kann aber auch aus Metallpulvermischungen mit zwei oder mehr der genannten der genannten Metalle bestehen oder eine solche Metallpulvermischung aufweisen.
Bevorzugt wird als Metall Silber eingesetzt, da die hieraus erzeugte gesinterte Schicht eine hervorragende elektrische wie auch thermische Leitfähigkeit aufweist, was vor allem im Bereich der Leistungselektronik von Bedeutung ist, beispielsweise wenn Leistungshalbleiterchips über die Sinterverbindungsschicht auf einem Träger montiert und dabei elektrisch leitend mit dem Träger verbunden und/oder über diesen entwärmt werden sollen.
Um nun die auf die Kontaktfläche 11 des ersten Fügepartners 1 aufgetragene Paste 3 zu trocknen, muss zumindest ein erheblicher Anteil des Lösemittels aus der Paste 3 entfernt werden. Hierzu sieht die Erfindung die Verwendung einer Heizeinrichtung 4 vor, die auf eine Vorheiztemperatur T4, beispielsweise wenigstens 50°C oder wenigstens 120°C, vorgeheizt (siehe 1C) und dann dazu verwendet wird, den ersten Fügepartner 1 mit der darauf befindlichen Paste 3 während einer Trocknungsphase aufzuheizen. Hierzu können der erste Fügepartner 1 und die vorgeheizte Heizeinrichtung 4 während der gesamten Trocknungsphase in einem Abstandsbereich gehalten werden, der nicht größer ist als ein Maximalabstand, beispielsweise 5 mm oder 0,5 mm. Hierin eingeschlossen ist ein Abstand gleich Null, in dem ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Heizeinrichtung 4 und dem ersten Fügepartner besteht. Die Heizeinrichtung 4 und der erste Fügepartner 1 können also einander während der gesamten Trocknungsphase ununterbrochen kontaktieren, oder sie können während der gesamten Trocknungsphase in einem Abstandsbereich gehalten werden, der größer oder gleich Null ist aber kleiner oder gleich dem Maximalabstand, oder sie können während der gesamten Trocknungsphase in einem Abstandsbereich gehalten werden, der größer als Null ist aber kleiner als der Maximalabstand.
Aufgrund des geringen Maximalabstandes werden der erste Fügepartner 1 und die auf ihn aufgebrachte Paste 3 durch die von der Heizeinrichtung 4 abgegebene Wärme erwärmt, so dass das Lösemittel 31 aus der Paste 3 entweicht (siehe 1D). Die Dauer der Trocknungsphase kann beispielsweise wenigstens 1 Sekunde betragen, wenigstens 30 Sekunden oder wenigstens 60 Sekunden.
Um zu verhindern, dass die Temperatur der Heizeinrichtung 4 nach Beginn der Trocknungsphase zu stark absinkt, kann die Heizeinrichtung 4 optional eine absolute Wärmekapazität aufweisen, die wenigstens das zehnfache der absoluten Wärmekapazität des ersten Fügepartners 1 beträgt.
Das abdampfende Lösemittel 31 und durch dieses eventuell hervorgerufene Reaktionsprodukte können über eine lokale Absaugung aufgefangen werden. Unterstützt werden kann die Absaugung durch z. B. Gasdüsen oder ein Gebläse 40, die das abdampfende Lösemittel 31 und gegebenenfalls die Reaktionsprodukte absaugen bzw. dem abdampfenden Lösemittel 31 und gegebenenfalls den entstehenden Reaktionsprodukten eine gezielte Richtung aufprägen, in der diese von dem ersten Fügepartner 1 weggeblasen werden.
Eine anschließende schnelle Kühlung des aufgeheizten ersten Fügepartners 1, bei der dieser mit einer steil abfallenden Flanke gekühlt wird, kann mittels Druckluft (oder Schutzgasen wie z.B. Stickstoff) oder über einen zweiten permanent gekühlten Körper (z.B. einen Kühlblock) erreicht werden.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem der thermische Kontakt zwischen der vorgeheizten Heizeinrichtung 4 und dem Fügepartner 1 hergestellt wird, kann die auf den ersten Fügepartner 1 aufgetragene Paste 3 beispielsweise einen Metallanteil von 50 Massenprozent bis 90 Massenprozent aufweisen. Kleinere oder größere Metallanteile sind jedoch ebenso möglich.
Zur Beendigung der Trocknungsphase wird der Abstand zwischen der Heizeinrichtung 4 und dem Fügepartner 1 wieder vergrößert, was im Ergebnis in 1E dargestellt ist. Danach verbleibt auf der Kontaktfläche 11 als Rückstand der Paste 3 eine trockene Pastenschicht 3'. Diese kann beispielsweise einen Metallanteil von wenigstens 95 Massenprozent aufweisen.
Während der Trocknungsphase kommt es aufgrund der guten thermischen Kopplung zu einem im Vergleich mit herkömmlichen Trocknungsverfahren sehr schnellen Aufheizen der Paste 3 und damit einhergehend zu einem sehr schnellen Trocknungsprozess.
Auf entsprechende Weise ist es optional ebenso möglich, den ersten Fügepartner 1 mit der darauf befindlichen trockenen Pastenschicht 3' mittels einer Kühleinrichtung 8 zu kühlen. Hierdurch kann bei Bedarf ein zu starkes Austrocknen der Pastenschicht 3' vermieden werden.
Zum Kühlen wird zunächst, wie in 1F gezeigt ist, ein Kühlelement 8 bereitgestellt, das auf eine Kühltemperatur T8 vorgekühlt ist und das dann, wie in 1G dargestellt, während einer Kühlphase mit dem ersten Fügepartner 1 in thermischen Kontakt oder in thermische Annäherung (Maximalabstand mit einem der für die Trocknungsphase genannten Werte) gebracht wird, so dass sich der erste Fügepartner 1 und die auf dessen Kontaktfläche 11 befindliche trockene Pastenschicht 3' abkühlen. Optional kann dabei der thermische Kontakt oder die thermische Annäherung zwischen der vorgekühlten Kühleinrichtung 8 und dem Fügepartner 1 an der der trockenen Pastenschicht 3' abgewandten Seite des ersten Fügepartners 1 erfolgen. Zur Beendigung der Kühlphase wird der Abstand zwischen der Kühleinrichtung 8 und dem Fügepartner 1 vergrößert, was in 1H dargestellt ist.
Nach der Herstellung der trockenen Pastenschicht 3', gegebenenfalls nach der optionalen Kühlphase, kann ein zweiter Fügepartner 2 mit dem mit der getrockneten Pastenschicht 3' versehenen ersten Fügepartner 1 stoffschlüssig verbunden werden, indem der erste Fügepartner 1 und der zweite Fügepartner 2 relativ zueinander so angeordnet werden, dass sich die getrocknete Pastenschicht 3' zwischen dem ersten Fügepartner 1 und dem zweiten Fügepartner 2 befindet und dabei einen jeden der Fügepartner 1 und 2 kontaktiert. Beispielsweise kann hierzu der zweite Fügepartner 2 auf die dem ersten Fügepartner 1 abgewandte Seite der getrockneten Pastenschicht 3' aufgesetzt werden, wie dies im Ergebnis in 1I dargestellt ist.
Während einer Sinterphase, während der der erste Fügepartner 1 und der zweite Fügepartner 2 unter Einwirkung eines Anpressdrucks ununterbrochen aneinandergepresst bleiben, so dass die getrocknete Pastenschicht 3' zwischen dem ersten Fügepartner 1 und dem zweiten Fügepartner 2 angeordnet bleibt und ununterbrochen beide Fügepartner 1, 2 kontaktiert, wird die getrocknete Pastenschicht 3' gesintert.
Der Anpressdruck kann dabei während der gesamten Sinterphase dauerhaft in einem Druckbereich von mindestens 5 MPa gehalten werden. Außerdem kann zumindest die trockene Pastenschicht 3' während der Sinterphase dauerhaft in einem Temperaturbereich von nicht weniger als 200°C gehalten werden. Weiterhin kann zumindest die getrocknete Pastenschicht 3' während der Sinterphase dauerhaft in einem Temperaturbereich von nicht mehr als 350°C gehalten werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Sintertemperaturen sind diese Temperaturen relativ gering, was vor allem dann von Vorteil ist, wenn es sich bei zumindest einem der Fügepartner 1, 2 um ein temperaturempfindliches Bauteil wie zum Beispiels ein Halbleiterbauelement handelt. Grundsätzlich können die Sintertemperaturen jedoch auch kleiner als 200°C oder größer als 350°C gewählt werden.
1J zeigt den Sintervorgang, bei dem die Anordnung mit der zwischen den Fügepartnern 1, 2 befindlichen, trockenen Pastenschicht 3' zwischen zwei beheizten Stempeln 6, 7, die jeweils eine Stempelheizung 61 bzw. 62 aufweisen, eingespannt ist. Optional kann auch nur einer der beiden Stempel 61, 62 beheizt sein. Das Ergebnis ist in jedem Fall ein Verbund, in dem die beiden Fügepartner 1 und 2 durch die gesinterte getrocknete Pastenschicht 3' stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Nach Abschluss des Sintervorgangs kann dieser Verbund 1, 2, 3', wiederum optional, gekühlt werden. Hierzu wird, wie in 1K gezeigt ist, ein weiteres Kühlelement 9 bereitgestellt, das auf eine Kühltemperatur T9 vorgekühlt ist und das dann, wie in 1L dargestellt, mit dem ersten Fügepartner 1 in thermischen Kontakt gebracht wird, so dass sich der Verbund 1, 2, 3' abkühlen. Optional kann dabei der thermische Kontakt zwischen der vorgekühlten Kühleinrichtung 9 und dem Fügepartner 1 an der der trockenen Pastenschicht 3' abgewandten Seite des ersten Fügepartners 1 erfolgen. Zur Beendigung der Kühlphase wird der thermische Kontakt zwischen der Kühleinrichtung 9 und dem Fügepartner 1 wieder gelöst, was in 1M dargestellt ist. 1N zeigt schließlich den fertigen Verbund 1, 2, 3'.
Durch das zeitgesteuerte thermische An- und Abkoppeln bzw. Annähern und Entfernen des Heizelements 4 bzw. (soweit vorgesehen) der Kühlelemente 8 und/oder 9 lässt sich für den ersten Fügepartner 1 und die auf diesen aufgetragene Paste 3 ein Temperaturprofil mit sehr steilen Temperaturflanken erzielen.
Optional können – unabhängig voneinander – die Temperaturen T4 in der Heizphase und (soweit die Verwendung von Kühlelementen 8 und/oder 9 vorgesehen ist) T8 und T9 in der betreffenden Kühlphase jeweils auch geregelt werden.
Die Heizung 41 der Heizeinrichtung 4 kann beispielweise als elektrische Heizwendel ausgebildet sein. Die Kühlung 81 bzw. 91 der Kühleinrichtung 8 bzw. 9 kann zum Beispiel mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit erfolgen, die durch die betreffende Kühleinrichtung 8, 9 hindurchgeleitet wird. Prinzipiell können das Heizen einer Heizeinrichtung 4 bzw. das Kühlen einer Kühleinrichtung 8, 9 jedoch mit beliebigen anderen Methoden erfolgen.
Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, dass der Sinterprozess unmittelbar nach dem Auftragen und Trocknen der Paste 3 auf den ersten Fügepartner 1 erfolgt. Es ist ebenso möglich, den Sinterprozess zu einem späteren Zeitpunkt durchzuführen. Der Trocknungsprozess endet dann mit dem Ende der Trocknungsphase (1E), oder, sofern ein nachfolgender Kühlschritt vorgesehen ist, mit dem Ende der durch die Kühleinrichtung 8 bewirkte Kühlphase.
Ein weiterer Vorteil des geschilderten Verfahrens besteht darin, dass zum Trocknen der Paste keine Trockenkammer erforderlich ist. Hierdurch kann zumindest der Trocknungsprozess und optional auch ein nachfolgender Sinterprozess auf einfache Weise in einem Durchlaufverfahren (in-line Prozess) durchgeführt werden, bei dem viele, beispielsweise identische, Fügepartner 1 mit einer Paste 3 versehen und diese danach wie beschrieben getrocknet wird. Falls auch ein Sinterprozess in dem Durchlaufverfahren vorgesehen ist, kann auch jeweils ein zweiter Fügepartner 2 mit jeweils einem ersten Fügepartner 1, auf dem zuvor eine getrocknete Pastenschicht 3' erzeugt wurde, durch Sintern stoffschlüssig verbunden werden. Optional kann auch das Auftragen der Paste 3 auf die ersten Fügepartner 1 im Rahmen des Durchlaufverfahrens erfolgen.
2 zeigt ein Beispiel für eine Durchlaufanlage zur Durchführung eines Durchlaufprozesses. Dargestellt sind verschiedene erste Fügepartner 1 jeweils in einer anderen Prozessstufe P1 bis P7, wie sie bereits anhand der 1A bis 1H erläutert wurden. Zur Realisierung des Durchlaufprozesses wird eine Fördereinrichtung 100 verwendet, die die ersten Fügepartner 1, im weiteren Verlauf auch die Einheit mit dem ersten Fügepartner 1 und der auf diesen aufgetragenen Paste 3 sowie später zusätzlich auch den zweiten Fügepartner 2 von einer Prozessstufe in eine nachfolgende Prozessstufe transportiert. In 2 ist die Fördereinrichtung 100 lediglich beispielhaft als Förderband ausgebildet. Prinzipiell kann die Ausgestaltung der Fördereinrichtung 100 aber beliebig gewählt werden. So können zum Beispiel auch Greifeinrichtungen, Saughebevorrichtungen usw. zum Einsatz kommen.
Prozessstufe P1 zeigt entsprechend 1A einen ersten Fügepartner 1 mit einer Kontaktfläche 11. In Prozessstufe P2 wird, wie unter Bezugnahme auf 1B erläutert, eine Paste 3 auf die Kontaktfläche 11 aufgebracht. In Prozessstufe P3 erfolgt der Trocknungsprozess wie anhand der 1C bis 1E erläutert. Die optionale Prozessstufe P4 stellt einen unter Bezugnahme auf die 1F bis 1H erläuterten Kühlprozess dar. In Prozessstufe P5 wird ein zweiter Fügepartner 2 mit der auf den ersten Fügepartner 1 aufgebrachten, trockenen Pastenschicht 3' in Kontakt gebracht, wie dies bereits unter Bezugnahme auf 1I erläutert wurde, und danach in Prozessstufe P6, wie unter Bezugnahme auf 1J erläutert, durch Sintern der trockenen Pastenschicht 3' stoffschlüssig mit dem ersten Fügepartner 1 verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde bei Prozessstufe P6 auf die Darstellung des Pressstempels 7 verzichtet. Die optionale Prozessstufe P7 schließlich stellt einen optionalen, unter Bezugnahme auf die 1K bis 1N erläuterten Kühlprozess dar.
Um besonders hochwertige gesinterte stoffschlüssige Verbindungen zu erhalten ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktfläche 11 des ersten Fügepartners 1, auf die die Paste 3 aufgetragen wird, sowie eine Kontaktfläche 22 des zweiten Fügepartners 2, die mit der getrockneten Pastenschicht 3' in Kontakt gebracht wird, jeweils durch ein Edelmetall gebildet werden. Hierzu kann, wie in 3 schematisch gezeigt ist, der erste Fügepartner 1 mit einer Edelmetallschicht 15 und/oder der zweite Fügepartner mit einer Edelmetallschicht 25 versehen werden. Als Edelmetalle zur Herstellung dieser Schichten eignen sich beispielsweise Silber, Gold, Platin, Palladium, Rhodium oder Legierungen mit oder aus zwei oder mehr der genannten Metalle. Die Paste 3 ist lediglich schematisch dargestellt, um ihre spätere Position, die sie später als trockene Pastenschicht 3' einnimmt, zu veranschaulichen.
Die 4 und 5 zeigen noch konkrete Beispiele für 3 entsprechende Anordnungen. In 4 ist der erste Fügepartner 1 als elektronischer Schaltungsträger ausgebildet, der eine elektrisch isolierende Keramikschicht 50 aufweise, die mit einer oberen Metallisierungsschicht 51 sowie mit einer optionalen unteren Metallisierungsschicht 52 versehen ist. Die Keramikschicht 50 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid oder Siliziumcarbid bestehen. Die Metallisierungsschichten 51, 52 können z. B. aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Andere Metalle können jedoch ebenfalls verwendet werden. Insbesondere kann es sich bei dem Schaltungsträger um ein DCB-Substrat (Keramikschicht 50 aus Aluminiumoxid und Metallisierungsschichten 51 sowie gegebenenfalls 52 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil) handeln, oder um ein DAB-Substrat (DAB = direct aluminum bonding; Aluminiummetallisierung 51 und gegebenenfalls 52 wird unmittelbar mit Keramikschicht 50 verbunden), oder um ein AMB-Substrat (AMB = active metal brazing; Metallisierungsschichten 51 und gegebenenfalls 52 werden durch Aktiv-Hartlöten mit Keramikschicht 50 verbunden). Alternativ könnte es sich bei dem Schaltungsträger auch um IMS-Substrat handeln (IMS = insulated metal substrate; ein Metallsubstrat wird zunächst mit einer dielektrischen Schicht versehen, auf die eine Metallschicht aufgebracht ist, welche durch die dielektrische Schicht gegenüber dem Metallsubstrat elektrisch isoliert ist; die Metallschicht entspricht dann der oberen Metallisierungsschicht 51).
Bei dem zweiten Fügepartner 2 handelt es sich um einen Halbleiterchip, beispielsweise eine Diode, einen IGBT, einen MOSFET oder ein beliebiges anders Halbleiterbauelement. Durch die gesinterte Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Schaltungsträger kann der Halbleiterchip elektrisch an die obere Metallisierungsschicht 51 angeschlossen und/oder über den Schaltungsträger entwärmt werden.
In 5 handelt es sich bei dem ersten Fügepartner 1 um eine Bodenplatte für ein Leistungshalbleitermodul. Der zweite Fügepartner 2 weist ein Substrat mit einer Keramikschicht 50, einer oberen Metallisierungsschicht 51 sowie mit einer optionalen unteren Metallisierungsschicht 52 auf, wie es bereits unter Bezugnahme auf 4 erläutert wurde, oder ein ebenfalls unter Bezugnahme auf 4 erläutertes IMS-Substrat. Während die optionale Edelmetallschicht 15 bei dem Schaltungsträger 1 gemäß 4 auf die obere Metallisierungsschicht 51 aufgebracht ist, ist die Edelmetallschicht 25 bei dem Schaltungsträger gemäß 5 auf die untere Metallisierungsschicht 52 aufgebracht.
Bei der Bodenplatte kann es sich um eine Metallplatte handeln, die beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen kann, oder aus einem Metallmatrix-Kompositmaterial (MMC), und die optional mit einer Edelmetallschicht 25 versehen sein kann. Bei der Anordnung gemäß 5 könnte der zweite Fügepartner 2 an seiner oberen Metallisierungsschicht 51 optional bereits mit einem oder mehreren Halbleiterchips vorbestückt sein. Beispielsweise könnte der zweite Fügepartner 2 als Verbund ausgebildet sein, wie er nach der Herstellung der gesinterten Verbindung zwischen dem anhand von 4 erläuterten Fügepartnern 1, 2 vorliegt. Die in 5 dargestellte Edelmetallschicht 25 könnte vor oder nach der Herstellung der gesinterten Verbindung auf die untere Metallisierungsschicht 52 aufgebracht werden.
Während die vorangehend erläuterte Heizeinrichtung 4 als massiver Block, beispielsweise als ein einziger, beheizbarer Metallblock ausgebildet war, zeigt 6 noch eine alternative Ausgestaltung, bei der die Heizeinrichtung 4 mehrere beheizbare Andruckstempel 42 aufweist. Die Wärmekapazität der Heizeinrichtung 4 besteht in diesem Fall aus der Summe der Wärmekapazitäten der Andruckstempel 42. Die Andruckstempel 42 werden jeweils mittels einer Federeinrichtung 43 gegen den ersten Fügepartner 1 gepresst. Hierdurch kann eine gute thermische Ankopplung zwischen der Heizeinrichtung 4 und dem ersten Fügepartner 1 und damit eine zügige Erwärmung des ersten Fügepartners 1 und der darauf aufgetragenen Paste 3 auch dann gewährleistet werden, wenn die Seite des ersten Fügepartners 1, mit der die Heizeinrichtung 4 in thermischen Kontakt gebracht wird, unregelmäßig ist und/oder sich bei Erwärmung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien verbiegt.
Ein entsprechender Aufbau kann auch für die erläuterten Kühleinrichtungen 8, 9 verwendet werden. Während die vorangehend erläuterten Kühleinrichtungen 8, 9 jeweils als massiver Block, beispielsweise als ein einziger, gekühlter Metallblock ausgebildet waren, zeigt 7 noch eine alternative Ausgestaltung, bei der die Kühleinrichtungen 8 bzw. 9 mehrere gekühlte Andruckstempel 82 bzw. 92 aufweisen. Die Andruckstempel 82 bzw. 92 werden jeweils mittels einer Federeinrichtung 83 bzw. 93 gegen den ersten Fügepartner 1 gepresst. Hierdurch kann eine gute thermische Ankopplung zwischen der Kühleinrichtung 8 bzw. 9 und dem ersten Fügepartner 1 und damit eine zügige Entwärmung des ersten Fügepartners 1 und der darauf angeordneten, getrockneten Pastenschicht 3 bzw. des Verbundes mit den Fügepartnern 1, 2 und der getrockneten und gesinterten Pastenschicht 3' auch dann gewährleistet werden, wenn die Seite des ersten Fügepartners 1, mit der die Kühleinrichtung 8 bzw. 9 in thermischen Kontakt gebracht wird, unregelmäßig ist und/oder sich bei einer Temperaturänderung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien verbiegt.
Eine weitere Maßnahme zur Herstellung eines guten thermischen Kontakts zwischen einer unebenen thermischen Kontaktfläche eines ersten Fügepartners 1 und einer Heizeinrichtung 4 bzw. einer Kühleinrichtung 8 oder 9 ist in 8A und 8B für eine Heizeinrichtung 4 und in 9 für eine Kühleinrichtung 8 bzw. 9 gezeigt. In allen Fällen wird zwischen die Heizeinrichtung 4 bzw. die Kühleinrichtung 8 oder 9 einerseits und die thermische Kontaktfläche des ersten Fügepartners 1 andererseits ein elastisches und wärmeleitendes Druckelement 10 angeordnet wird. Beim Anpressen der Heizeinrichtung 4 bzw. einer der Kühleinrichtungen 8 bzw. 9 an den ersten Fügepartner 1 passt sich das Druckelement an die unebene thermische Kontaktfläche an und sorgt für eine gute thermische Ankopplung zwischen dem ersten Fügepartner einerseits und der Heizeinrichtung 4 bzw. der Kühleinrichtung 8 oder 9 andererseits. Als Druckelemente 10 eignen sich beispielsweise ein Metallgestrick und/oder ein Metallvlies und/oder ein Metallschwamm.
Unabhängig vom Aufbau einer Heizeinrichtung 4 oder einer Kühleinrichtung 8, 9 können diese – unabhängig voneinander – beispielsweise als einfacher Klotz, als Rundkörper oder als Rohr ausgebildet sein. Prinzipiell können jedoch beliebige geometrische Formen eingesetzt werden. Als Materialien für die Heizeinrichtung 4 oder die Kühleinrichtungen 8, 9 eignen sich wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit zum Beispiel Metalle, hierunter auch Nicht-Eisenmetalle.
Sofern gewünscht können die Zersetzung des Lösemittels 31 während der Trocknungsphase (1D) und/oder die Entstehung oder Zersetzung von während der Trocknungsphase eventuell entstehender Reaktionsprodukte durch das gezielte Einstellen und Kontrollieren einer Atmosphäre gesteuert werden, wenn die Trocknungsphase in einer vollständig oder zumindest überwiegend geschlossenen Prozesskammer durchgeführt wird. Beispielsweise kann in einer solchen Prozesskammer durch eine definierte Zugabe von beispielsweise Sauerstoff einen Vorsinterprozess anstoßen, um eine Festigung der aufgetragenen Paste 3 zu initiieren oder zu beschleunigen. Alternativ verhindert eine in der Prozesskammer vorliegende Atmosphäre mit reaktionsträgen, passiven Gasen ("Schutzgase") wie beispielsweise Stickstoff, Argon, eine Reaktion der Paste 3 sowie eventuell von Bestandteilen des ersten Fügepartners 1 mit Bestandteilen der Umgebungsluft. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die Oxidation von Kupfermetallisierungen 51, 52 eines Substrats oder eines Halbleiterchips oder einer kupferhaltigen Bodenplatte eines Leistungshalbleitermoduls zu verhindern, um später an diesen kupferhaltigen Bestandteilen vorgenommene Fügeprozesse wie z. B. Löten oder Drahtbondungen nicht zu erschweren.
Während in den 1D und 6 Heizphasen dargestellt sind, während denen die Heizeinrichtung 4 den ersten Fügepartner 1 dauerhaft kontaktiert, zeigt 12 ein Beispiel, bei dem zwischen der Heizeinrichtung 4 und dem ersten Fügepartner 1 während der Heizphase dauerhaft ein Abstand d14 eingehalten wird, der nicht größer ist als ein Maximalabstand von 5 mm oder 0,5 mm.
11A zeigt eine Durchlaufanlage wie 2. Darin wird ein Durchlaufprozess durchgeführt, der sich von dem in 2 gezeigten Durchlaufprozess dadurch unterscheidet, dass die Fördereinrichtung 100 den ersten Fügepartner 1 auf einem Transportträger 200 durch die Anlage fördert. Hierzu kann der Transportträger 200 auf der Fördereinrichtung 100, beispielsweise einem Förderband oder einer anderen Fördereinrichtung, aufliegen. Wie bereits in 2 gezeigt ist, kann ein Förderband zweiteilig ausgebildet sein und zwei parallel zueinander verlaufende Teil-Förderbänder aufweisen, auf denen der Transportträger 200 (in 2 nur der erste Fügepartner 1) aufgelegt ist.
Wie aus der vergrößerten Schnittansicht gemäß 11B in Verbindung mit 11A hervorgeht, kann der Transportträger 200 so ausgebildet sei, dass die der ersten Kontaktfläche 11 entgegengesetzte Unterseite 12 des ersten Fügepartners 1 frei zugänglich ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit einer ausreichenden Annäherung oder Kontaktierung der Unterseite 1b durch eine Heizeinrichtung 4 oder eine Kühleinrichtung 8, 9. Insbesondere kann der Transportträger 200 so ausgestaltet sein, dass die Einhaltung des vorgenannten Maximalabstandes von 5 mm oder gar nur 0,5 mm möglich ist.
Während 11B die Anordnung vor der Trocknungsphase zeigt, ist in 11C die Trocknungsphase dargestellt. Optional kann der erste Fügepartner 1 durch die Heizeinrichtung 4 um einen Abstand h1, beispielsweise wenigstens 0,1 mm, von dem Transportträger 200 abgehoben werden, um den ersten Fügepartner 1 von dem Transportträger 200 thermisch zu entkoppeln und dadurch zu verhindern, dass er durch den Transportträger 200 entwärmt wird. Das Abheben kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Heizeinrichtung 4, wie in den 1C und 1D gezeigt, von unten auf den ersten Fügepartner 1 zubewegt wird. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass der erste Fügepartner 1 bei seinem Transport durch die Fördereinrichtung in Förderrichtung auf die Heizeinrichtung 4 aufgeschoben und dabei um den Abstand h1 angehoben wird. Um ein Aufgleiten der Heizeinrichtung 4 auf die Heizeinrichtung 4 zu erleichtern, kann die Heizeinrichtung 4 beispielsweise eine Rampe aufweisen.
Wie anhand der 2 und 11A gezeigt wurde, kann das Auftragen der Paste 3 auf den ersten Fügepartner 1 zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu dem der erste Fügepartner 1 (wie in 2 unmittelbar oder wie in 11A auf dem Transportträger 200 mittelbar) auf der Fördereinrichtung 100 aufliegt. Ebenso ist es jedoch möglich, dass ein erster Fügepartner 1 zunächst mit der Paste 3 versehen und erst dann auf unmittelbar oder mittelbar auf die Fördereinrichtung 100 auflegt wird.
12 zeigt noch eine 10 entsprechende Alternative von 11C, bei der die Heizeinrichtung 4 während der Trocknungsphase dauerhaft oder vorübergehend von dem in einen Transportträger 200 eingelegten ersten Fügepartner 1 beabstandet ist.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer getrockneten Pastenschicht (3') auf einem Fügepartner (1) mit den Schritten: Bereitstellen eines Fügepartners (1), der eine Kontaktfläche (11) aufweist, auf die eine Paste (3) aufgetragen ist; Bereitstellen einer auf eine Vorheiztemperatur (T4) vorgeheizten Heizeinrichtung (4); Trocknen der auf die Kontaktfläche (11) aufgetragenen Paste (3) während einer Trocknungsphase, in der die vorgeheizte Heizeinrichtung (4) und der Fügepartner (1) einen Abstand (d14) von höchstens 5 mm aufweisen, so dass aus der Paste (3) eine getrocknete Pastenschicht (3') entsteht; wobei der Fügepartner (1) mit der auf seine Kontaktfläche (11) aufgetragenen Paste (3) vor Beginn der Trocknungsphase auf einen Transportträger (200) aufgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Heizeinrichtung (4) und der Fügepartner (1) während der Trocknungsphase in unmittelbaren thermischen Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während der gesamten Trocknungsphase ein unmittelbarer thermischer Kontakt zwischen der Heizeinrichtung (4) und dem Fügepartner (1) besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Fügepartner (1) in der Trocknungsphase von dem Transportträger (200) abgehoben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Fügepartner (1) vor der Trocknungsphase mittels eines Förderbandes (100) zusammen mit der auf seine Kontaktfläche (11) aufgetragenen Paste (3) zur Heizeinrichtung (4) gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit den weiteren Schritten: Bereitstellen einer vorgekühlten Kühleinrichtung (8), die auf eine Vorkühltemperatur (T8) vorgekühlt ist, die geringer ist als die Vorheiztemperatur (T4); Herstellen eines thermischen Kontakts zwischen der vorgekühlten Kühleinrichtung (8) und dem Fügepartner (1) mit der auf diesem befindlichen getrockneten Pastenschicht (3').
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Paste (3) zu Beginn der Trocknungsphase einen Metallanteil von 50 Massenprozent bis 90 Massenprozent aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Paste (3) auf den Fügepartner (1) als Schicht aufgetragen ist, deren Dicke (d3) größer oder gleich 5 µm ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Vorheiztemperatur (T4) wenigstens 50°C oder wenigstens 120°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Heizeinrichtung (4) eine absolute Wärmekapazität aufweist, die wenigstens das 10-fache der absoluten Wärmekapazität des Fügepartners (1) beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Trocknungsphase für eine Dauer von wenigstens 1 Sekunde oder von wenigstens 30 Sekunden oder von wenigstens 60 Sekunden aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die trockene Pastenschicht (3') nach der Trocknungsphase einen Metallanteil von wenigstens 95 Massenprozent aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktfläche (11) durch eine Edelmetallschicht (15) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Edelmetallschicht (15) zumindest eines der Metalle Silber, Gold, Platin, Palladium, Rhodium aufweist oder aus einem dieser Metalle besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Fügepartner (1) als Bodenplatte für ein Leistungshalbleitermodul ausgebildet ist, oder als elektronischer Schaltungsträger mit einer elektrisch isolierenden Keramikschicht (50), auf die eine Metallisierungsschicht (51) aufgebracht ist.
Verfahren zum Herstellen einer Sinterverbindung zwischen einem ersten Fügepartner (1) und einem zweiten Fügepartner (2) mit den Schritten: Erzeugen einer getrockneten Pastenschicht (3') auf einem ersten Fügepartner (1) gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche; Bereitstellen eines zweiten Fügepartners (2); Anordnen des ersten Fügepartners (1) und des zweiten Fügepartners (2) relativ zueinander derart, dass die getrocknete Pastenschicht (3') zwischen dem ersten Fügepartner (1) und dem zweiten Fügepartner (2) angeordnet ist; und nachfolgend Sintern der getrockneten Pastenschicht (3') während einer Sinterphase, während der – der erste Fügepartner (1) und der zweite Fügepartner (2) unter Einwirkung eines Anpressdrucks ununterbrochen aneinandergepresst bleiben; – die getrocknete Pastenschicht (3') zwischen dem ersten Fügepartner (1) und dem zweiten Fügepartner (2) angeordnet ist und ununterbrochen einen jeden davon kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Anpressdruck während der Sinterphase einen Druck von 5 MPa nicht unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die trockene Pastenschicht (3') während der Sinterphase dauerhaft in einem Temperaturbereich von nicht weniger als 200°C gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die getrocknete Pastenschicht (3') während der Sinterphase dauerhaft in einem Temperaturbereich von nicht mehr als 350°C gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem der erste Fügepartner (1) als Bodenplatte für ein Leistungshalbleitermodul ausgebildet ist, und der zweite Fügepartner (2) als elektronischer Schaltungsträger, der eine elektrisch isolierenden Keramikschicht (50) aufweist, auf die eine Metallisierungsschicht (51) aufgebracht ist; oder der erste Fügepartner (1) als elektronischer Schaltungsträger ausgebildet ist, der eine elektrisch isolierenden Keramikschicht (50) aufweist, auf die eine Metallisierungsschicht (51) aufgebracht ist, und der zweite Fügepartner (2) als Halbleiterchip.
Durchlaufanlage, die dazu ausgebildet ist, im Durchlaufverfahren nacheinander auf einer Vielzahl von Fügepartnern (1) jeweils eine getrocknete Pastenschicht (3') gemäß einem Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 15 zu erzeugen.