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DE102014114093B4 - Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern - Google Patents

Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern Download PDF

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DE102014114093B4
DE102014114093B4 DE102014114093.1A DE102014114093A DE102014114093B4 DE 102014114093 B4 DE102014114093 B4 DE 102014114093B4 DE 102014114093 A DE102014114093 A DE 102014114093A DE 102014114093 B4 DE102014114093 B4 DE 102014114093B4
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Germany
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sintering
oxygen
chamber
low
electronic component
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Ronald Eisele
Holger Ulrich
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Danfoss Silicon Power GmbH
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Danfoss Silicon Power GmbH
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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern mittels einer eine Sinterkammer aufweisenden Sintervorrichtung mit einem ein Druckkissen aufweisenden Oberstempel in einer sauerstoffarmen Atmosphäre mit einem relativen Sauerstoffgehalt von 0,005 bis 0,3 %, mit den Schritten: – Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, – Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs, gekennzeichnet durch Äquilibrieren des Druckkissens und/oder einer zwischen dem Druckkissen und dem elektronischen Bauelement angeordneten Trennfolie vor dem Sintervorgang mit der sauerstoffarmen Atmosphäre zum Verdrängen der am Druckkissen und/oder der Trennfolie anhaftenden oder in diese diffundierten Sauerstoffmoleküle und Entfernen dieser Sauerstoffmoleküle aus der Sinterkammer.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern, mit den Schritten: Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, und Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs.
  • Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2008 009 510 B3 , JP 2006-352080 A , US 2009/0134206 A1 , DE 10 2013 216 633 A1 , DE 10 2009 008 926 A1 und der WO 2014/135 151 A2 bekannt.
  • Grundsätzlicher Nachteil am Niedertemperatur-Drucksintern ist, dass das Aufheizen der zu fügenden Bauelemente und Schaltungsträger nicht nur die Diffusion des eingebrachten Fügewerkstoffs, z. B. Silber (Ag), in die Verbindungsmetalle der Fügepartner, z.B. Edelmetalle einschließlich Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), beschleunigt, sondern auch die Oxidation von metallischen Oberflächen begünstigt. So beginnt beispielsweise die Oxidation von Kupfer (Cu) bereits bei 80 °C sichtbar schneller abzulaufen als bei Raumtemperatur.
  • Daher weisen unbehandelte elektronische Baugruppen nach Durchführen des Drucksinterprozess regelmäßig anstelle der ursprünglich glänzend rosa-rot erscheinenden Kupfer-Oberflächen einen stark oxidierten, sich durch eine einheitlich matt-braune Oberfläche ausdrückenden Zustand auf.
  • Um eine Oxidation dieser Metalloberflächen zu verhindern, ist es bereits als Gegenmaßnahme bekannt, die Kupferleiterbahnen bzw. -leiterflächen und die Bauteil-Fügeflächen zum Schutz vor Oxidation mit edleren Metallen zu überziehen. Insbesondere werden hierfür Ni-Flash Au oder Ni-Pd-Überzüge verwendet.
  • An dieser Schutzmaßnahme ist jedoch der erhöhte Arbeits- und Kostenaufwand, wobei sich zusätzlich gezeigt hat, dass die derart behandelten Oberflächen die Oxidation verlangsamen, nicht aber gänzlich verhindern. Insbesondere hat sich in Experimenten gezeigt, dass 2-stufige Sinterungen, also Verfahren mit zwei aufeinander folgenden Sintervorgängen, auf diesen Schutzoberflächen nicht durchgeführt werden konnten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern zu schaffen, mit dem eine Oxidation der frei liegenden Metalloberflächen der elektronischen Baugruppe, insbesondere der Leiterbahn(en) und Bauelementanschlüsse wirkungsvoll verhindert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Oxidation der metallischen Oberflächen durch nahezu vollständigen Ausschluss von Sauerstoff bei der Durchführung des (thermischen) Sinterprozesses zu unterbinden, wobei sich herausgestellt hat, dass ein vollständiger Ausschluss von Sauerstoff, also eine Sauerstoff-freie Atmosphäre, für den Sintervorgang hinderlich ist. Erfindungsgemäß ist daher der Sauerstoffgehalt beim Sintervorgang auf ein Minimum zwischen 0,005 bis 0,3 % einzustellen, nämlich so wenig, dass Oxidationsvorgänge nicht oder kaum erfolgen und gerade so viel, dass der Sintervorgang erfolgreich ablaufen kann und zu einem dauerhaften Produkt führt.
  • Insbesondere hat sich bei Sintervorrichtungen, die einen Oberstempel mit einem Druckkissen aufweisen, gezeigt, dass das Druckkissen, beispielsweise ein Silikonkissen, unter atmosphärischen Bedingungen große Anteile an Sauerstoff aufnimmt und speichert, die beim Pressvorgang den Oxidationsvorgang an den metallischen Verbindungspartnern begünstigen. Daher ist es zwingend erforderlich, dass der Sintervorgang innerhalb einer gasdicht verschließbaren Kammer stattfindet, in der ein Gasaustausch der umgebenden Atmosphäre gegen eine sauerstoffarme Atmosphäre stattfinden kann. Hingegen hat sich eine reine Gasverdünnung durch Überströmen mit Gasen als unzureichend erwiesen.
  • Erfindungsgemäß ist es daher erforderlich, das Druckkissen und/oder eine zwischen dem Druckkissen und dem elektronischen Bauelement angeordnete Trennfolie vor dem Sintervorgang mit der sauerstoffarmen Atmosphäre zu äquilibrieren und so am Druckkissen und/oder an der Trennfolie anhaftende oder in diese diffundierte Sauerstoffmoleküle zu verdrängen und aus der Kammer zu entfernen.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern, weist also wie bekannt die Schritte Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, und Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs auf. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Niedertemperatur-Drucksintern zur Vermeidung der Oxidation des elektronischen Bauelements oder der Leiterbahn in einer sauerstoffarmen Atmosphäre mit einem relativen Sauerstoffgehalt von 0,005 bis 0,3 % durchgeführt wird. Bevorzugt weist die sauerstoffarme Atmosphäre einen relativen Sauerstoffgehalt von 0,05 bis 0,25 %, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,15 % auf.
  • Die sauerstoffarme Atmosphäre ist bevorzugt aus Stickstoff (N), Kohlendioxid (CO2), einem Edelgas oder einer Mischung aus den vorgenannten Gasen gebildet, wobei lediglich auf den vorgenannten, für den Sintervorgang förderlichen Sauerstoffanteil zu achten ist.
  • Sollte sich im Einzelfall herausstellen, dass die elektronische Baugruppe nach dem Niedertemperatur-Drucksintern teilweise oxidiert ist, kann die elektronische Baugruppe mit einem Reduktionsmittel begast oder bedampft werden. Bevorzugt bietet sich zur Bedampfung Methansäure (CH2O2) an.
  • Der verwendete Fügewerkstoff ist bevorzugt Silber (Ag), der in Form einer Silber aufweisenden Sinterpaste vorgehalten wird.
  • Die elektronischen Bauelemente können passive oder aktive Bauelemente sein.
  • Die Erfindung wird anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit einer einzigen Sinterkammer;
  • 2 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit zwei Sinterkammern;
  • 3 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit drei Sinterkammern; und
  • 4 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit vier Sinterkammern.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit einer einzigen Sinterkammer.
  • Die einzige Sinterkammer 10 weist eine Beschickungsöffnung 12 für einen Werkstückträger 13 auf, der für die Aufnahme einer zu bearbeitenden Baugruppe eingerichtet ist. Innerhalb der Sinterkammer 10 befindet sich eine Verdichtungseinheit, bestehend aus der jeweils heizbaren/kühlbaren Unter- und Oberstempeleinheit 11a und 11b. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens passiert der Werkstückträger 13 die Beschickungsöffnung 12 und wird zwischen Unter- und Oberstempeleinheit 11a und 11b platziert, wobei die (nicht dargestellte) Baugruppe durch Zusammenfahren der Stempel 11a, 11b und durch Heizen gesintert wird. Nach Abschluss der Sinterung wird der Werkstückträger 13 mit der Baugruppe wieder durch die Beschickungsöffnung 12 durch Herausfahren entnommen.
  • Optional kann in der Sinterkammer 10 nach dem Sintervorgang und Öffnen der Stempel 11a, 11b eine Reduzierung etwaig vorhandener Oxidschichten vorgenommen werden. Die Schaffung einer Sinteratmosphäre geschieht durch die Befüll- und Entleerungsstutzen 15a, 15b nach Beschicken der Sinterkammer 10 durch den Werkstückträger 13.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit zwei Sinterkammern.
  • Der Aufbau dieser Vorrichtung ist mit dem Aufbau aus 1 weitgehend identisch, jedoch ergänzt um eine der Sinterkammer 10 vorgeschaltete Kammer 20, in der das Substrat oxidfrei vorgewärmt wird und auch nach dem Sintern in der Sinterkammer 10 oxidfrei abgekühlt wird. Vorteil der 2-Kammerlösung gegenüber der in 1 gezeigten 1-Kammerlösung ist die schnellere Taktrate, denn die Heizung in der Sinterkammer 10 muss nun nicht die gesamte thermische Masse auf Sintertemperatur heizen und wieder abkühlen.
  • 3 zeigt eine besonders bevorzugt ausgestaltete Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit drei Sinterkammern, wobei die 3-Kammerlösung die serielle Durchleitung des Werkstückträgers 13 durch die erste Kammer 20 (oxidfreies Aufheizen), die zweite (Sinter-)Kammer 10 (oxidfreies Sintern) und die dritte Kammer 30 (oxidfreies Abkühlen auf Raumtemperatur) ermöglicht.
  • 4 zeigt eine höchst bevorzugt ausgestaltete Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mittels Niedertemperatur-Drucksintern mit vier Sinterkammern.
  • Die 4-Kammerlösung entspricht in ihrer Funktionalität weitestgehend der 3-Kammerlösung, ist jedoch zusätzlich mit einer weiteren (vierten) Kammer 40 ausgestattet, die das aktive Reduzieren von Restoxiden nach dem Sintern gestattet. Das Vorsehen einer zwischen der in 3 gezeigten zweiten und dritten Kammer 20, 30 weiteren Kammer 40 ist besonders vorteilhaft, weil sich herausgestellt hat, dass die Oberflächen in Vakuumöfen in der Praxis mit Rückständen der Verbrennungsprodukte belegt und werden und sich dort verankerte Sauerstoffcluster ausbilden. Diese Cluster lösen sich nur nach ausgedehnten Ausheiz- und Evakuierungsphasen. Diese Aufheizphasen sind jedoch bei laufender Produktion unerwünscht.
  • Daher wird vorgeschlagen, nach der oxidfreien bzw. oxidarmen Sinterung in der weiteren Kammer 40 eine aktive Reduzierung der Sauerstoffcluster und Oxidbildungen vorzunehmen. Dies kann vorzugsweise durch Anteile von Wasserstoff oder dampfförmige Ameisensäureanteile (Methansäure CH2O2) vorgenommen werden. Anschließend ist in der vierten Kammer 40 das oxidfreie Abkühlen zum Ausschleusen möglich.
  • Allgemein erfolgt der Transsport der Werkstückträger in synchronen Schritten, seriell durch alle Kammern, wobei der langsamste Prozessschritt in einer der 4 Kammern den Zeittakt bestimmt.
  • Der Verfahrensablauf ist dann wie folgt:
    • – Zuführung der zu sinternden Baugruppe oder optional Baugruppen auf einem Werkstückträger durch die gasdicht verschließbare Öffnung in den Druckraum zwischen Ober- und Unterstempel;
    • – Schließen der Öffnung und dann folgende Erwärmung, Gastausch der Umgebungsatmosphäre durch die (technische) sauerstoffarme Atmosphäre (z.B. Stickstoff), Schließen von Ober- und Unterstempel, Aufbauen eines Sinterdruckes während die Sintertemperatur erreicht wird;
    • – Abschluss der Niedertemperatur-Drucksinterung und Senken der Stempeltemperatur auf unter 80 °C, Öffnen von Ober- und Unterstempel, Entnahme der Baugruppe bzw. des Werkstückträgers durch die Kammeröffnung; und
    • – Bereitstellen der Gerätschaft für eine Folgesinterung.
  • Insbesondere können die beschriebenen Kammern zwei gasdichte, verschließbare Öffnung besitzen, durch die eine fortlaufende, serielle Beschickung durch eine Eintrittsöffnung und die Entnahme durch die zweite Öffnung erfolgen kann.
  • Ein kontinuierlicher Arbeitsfluss und eine Steigerung des Durchsatzes der Vorrichtung werden erreicht durch folgende Maßnahmen, die auch einzeln angewendet werden können:
    In einer ersten Kammer 20 mit annähernd gasdichtem Verschluss und einer Eintrittsöffnung wird der Werkstückträger zugeführt und die Eintrittsöffnung verschlossen. Die Austrittsöffnung der ersten Kammer 20 ist auch die Eintrittsöffnung zur zweiten Kammer 10. Diese Austrittsöffnung ist geschlossen, wenn die Eintrittsöffnung geöffnet ist. Wenn beide gasdicht verschließbaren Öffnungen verschlossen sind, erfolgt in der ersten Kammer 20 der Gastausch von der Umgebungsatmosphäre zur Prozessgasatmosphäre.
  • Nach dem Gastausch erfolgt eine Erwärmung des Werkstückträgers bis zu einer Grenze unterhalb der beginnenden Sinterung (z.B. 100 °C). Anschließend wird die zweite Öffnung geöffnet und der Werkstückträger durch eine Transportvorrichtung von der ersten Kammer 20 durch die zweite Öffnung in die zweite Kammer 10 verbracht.
  • In der zweiten Kammer 10 herrscht dauerhaft die Prozessgasatmosphäre. Diese zweite Kammer 10 weist ebenfalls eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. Beim Einfahren des Werkstückträgers in die zweite Kammer 10 ist die Austrittsöffnung zur dritten Kammer 40 geschlossen. In der zweiten Kammer 10 wird der Werkstückträger zwischen Ober- und Unterstempel der Verdichtungsvorrichtung platziert. Dann werden die weitere Erwärmung des Werkstückträgers und die Verdichtung der Fügeschicht durch Zusammenfahren von Ober- und Unterstempel herbeigeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Verdichtung auch einen positiven Einfluss auf die Wärmeübergänge hat, daher wird die Erwärmung vorzugsweise mit zusammengefahrenen Stempeln vorgenommen. Nach Durchführung der Sinterung werden die Stempel auseinandergefahren und die dritte Kammer 40 mit Prozessgas geflutet. Anschließend wird die dritte Öffnung geöffnet und der Werkstückträger durch eine Transportvorrichtung von der zweiten Kammer 10 durch die dritte Öffnung in die dritte Kammer 40 verbracht.
  • Die dritte Kammer 40 besitzt optional eine Prozessgasanreicherung mit reduzierenden Bestandteilen. Dies können Anteile von Wasserstoff oder dampfförmige Ameisensäureanteile (Methansäure CH2O2) sein. Diese Stoffe reduzieren auf den Metallen entstandene Oxide, insbesondere Kupferoxide. Damit wird die Beseitigung von Oxiden unterstützt für den Fall, dass die Bildung von Oxiden in der ersten und in der zweiten Kammer 20, 10 während der Aufheiz- und Sinterphase nicht vollständig unterbunden werden konnte. Der Werkstückträger wird während der Verweildauer in der dritten Kammer 40 auf der Sintertemperatur gehalten.
  • Es hat sich gezeigt, dass dann die Reduzierung der Oxide optimal ist und gleichzeitig eine Weiterführung der Sinterung erfolgt.
  • Die Prozessgasanreicherung kann dauerhaft in der dritten Kammer 40 aufrechthalten bleiben. Nach Abschluss des Reduzierung- und Temperierungsprozesses in der dritten Kammer 40 wird die vierte Kammer 30 mit Prozessgas geflutet (ohne Reduzierungsanreicherung). Anschließend wird die vierte Öffnung geöffnet und der Werkstückträger durch eine Transportvorrichtung von der dritten Kammer 40 durch die vierte Öffnung in die vierte Kammer 30 verbracht.
  • Die vierte Kammer 30 dient dem Abkühlen auf Raumtemperatur unter Prozessgas, das noch bis zum Erreichen der für die fortschreitende Oxidation unkritischen 80 °C durchgeführt wird. Das Kühlen wird unterstützt durch eine auf 80 °C temperierte Verweilplatte für den Werkstückträger. Wenn die Temperatur von 80 °C erreicht ist, kann durch Öffnen der fünften Öffnung der Werkstückträger ausgeschleust werden. Anschließen erfolgt eine Neufüllung der vierten Kammer 30 mit Prozessgas für den nächsten Werkstückträger, der für die oxidationsfreie Abkühlung aus der dritten Kammer 40 eingeschleust wird.
  • Die Kammerfunktion und schleusengasdicht verschließbare Öffnungen sind bevorzugt durch einen gemeinsamen Arbeitstaktgeber synchronisiert. Der Arbeitstakt wird durch den langsamsten Prozessschritt bestimmt. Dies ist das Niedertemperatur-Drucksintern in der zweiten Kammer 2, das ca. 10 Minuten benötigt. Taktraten von mindestens 3 min bis zu 21 min sind ebenfalls einstellbar. Ein längeres Verweilen der Werkstückträger in den Kammern 20, 40 und 30 ist von Vorteil für die Erreichung der jeweiligen Prozessziele in den Kammer und ist daher ohne Einschränkung zu tolerieren. Die einzelnen Prozessziele der Kammern sind:
    Erste Kammer 20: Oxidfreies Aufwärmen auf bis 100 °C
    Zweite Kammer 10: Oxidfreies Druck-Sintern bei max. 300 °C und max. 30 MPa.
    Dritte Kammer 40: Optionale Reduktion von Rest-Oxiden
    Vierte Kammer 30: Oxidfreies Abkühlen auf 80 °C.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe durch Niedertemperatur-Drucksintern mittels einer eine Sinterkammer aufweisenden Sintervorrichtung mit einem ein Druckkissen aufweisenden Oberstempel in einer sauerstoffarmen Atmosphäre mit einem relativen Sauerstoffgehalt von 0,005 bis 0,3 %, mit den Schritten: – Anordnen eines elektronischen Bauelements auf einem eine Leiterbahn aufweisenden Schaltungsträger, – Verbinden des elektronischen Bauelements mit dem Schaltungsträger durch Niedertemperatur-Drucksintern eines das elektronische Bauelement mit dem Schaltungsträger verbindenden Fügewerkstoffs, gekennzeichnet durch Äquilibrieren des Druckkissens und/oder einer zwischen dem Druckkissen und dem elektronischen Bauelement angeordneten Trennfolie vor dem Sintervorgang mit der sauerstoffarmen Atmosphäre zum Verdrängen der am Druckkissen und/oder der Trennfolie anhaftenden oder in diese diffundierten Sauerstoffmoleküle und Entfernen dieser Sauerstoffmoleküle aus der Sinterkammer.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffarme Atmosphäre einen relativen Sauerstoffgehalt von 0,05 bis 0,25 % aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffarme Atmosphäre einen relativen Sauerstoffgehalt von 0,05 bis 0,15 % aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterkammer gasdicht verschlossen ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffarme Atmosphäre Stickstoff (N), Kohlendioxid (CO2), ein Edelgas oder eine Mischung aus den vorgenannten Gasen aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Baugruppe nach dem Niedertemperatur-Drucksintern mit einem Reduktionsmittel begast oder bedampft wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Methansäure (CH2O2) ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügewerkstoff Silber (Ag) ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur zwischen 230 °C bis 300 °C, bevorzugt zwischen 240 °C bis 280 °C liegt, insbesondere 250 °C beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterdruck zwischen 20 MPa bis 40 MPa, bevorzugt zwischen 25 MPa bis 35 MPa, insbesondere 30 MPa beträgt.
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