用于制造材料配合的连接的方法和自动装配设备与流程

本发明涉及一种用于制造材料配合的连接的方法和自动装配设备。

背景技术：

在许多技术领域例如功率电子装置之中需要机械的和可能也包括的导电的连接，该连接是耐高温并且对于温度变化是稳定的。尤其地，在功率电子装置领域，由于上升的功率密度和增长的更为紧凑的构建方式而能够期待半导体构件、电子组件等的运行温度将进一步持续上升。

因此，对于连接技术存在如下需求，即满足这些要求。作为有前途的方法有所谓的低温连接技术(NTV)。代替之前常用的铁焊工艺，在此将在所连接的部件之间嵌入并且烧结有银粉末，由此产生这些部件的材料配合的连接。在此，存在以下危险，即银粉末在处理期间部分地丢失，因为银粉末在传统的方法中手动地供给，这与高额的花费联系在一起。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种经济的用于制造高温固定的并且温度切换稳定的材料配合的连接，以及提供一种用于执行这样的方法的设备。该任务将通过依据专利权利要求1所述的用于制造材料配合的连接的方法以及通过依据专利权利要求14的用于制造材料配合的连接的自动装配设备来解决。本发明的设计方案以及改进方案将是从属权利要求的主题。

本发明的第一方面提出了一种用于在第一接合件和第二接合件之间制造材料配合的连接的方法。在所述方法中借助于自动的粉末载体供给装置提供粉末载体，在所述粉末载体上施加有含有金属粉末的粉末层。将所述第一接合件按压至位于所述粉末载体之上的粉末层，以使得粉末层区段粘附所述第一接合件。将所述第一接合件从所述粉末载体和粘附在所述第一接合件处的粉末层区段一起取下，并且在所述第一接合件和所述第二接合件之间安置粘附在所述第一接合件处的粉末层区段。在所述第一接合件和所述第二接合件之间通过将所述第一接合件和所述第二接合件相对彼此地按压来制造烧结连接，以使得粉末层区段既接触所述第一接合件也接触所述第二接合件。所述粉末层区段在所述相对彼此按压的期间烧结。

第二方面涉及一种用于将第一接合件装配至第二接合件与第一接合件的安装的自动装配设备。所述自动装配设备具有自动的粉末载体供给装置，借助于所述自动的粉末载体供给装置能够从一个盒体中取出粉末载体和粉末层，在所述粉末载体之上施加有含有金属粉末的粉末层。所述自动装配设备还具有放置工具，借助于所述放置工具容纳所述第一接合件并且在从所述盒体中取出所述粉末载体之后在位于所述粉末载体处的粉末层上能够得以按压，以使得所述粉末层的一个区段粘附至所述第一接合件。此外，所述第一接合件和粘附至所述第一接合件的所述粉末层的区段一起能够从所述粉末载体取下。所述自动装配设备被构造为在取下之后将粘附至所述第一接合件的所述粉末层的区段如此地安置在所述第一接合件和所述第二接合件之间，以使得所述粉末层的所述区段既施加在所述第一接合件处也施加在所述第二接合件处。

依据本发明的第二方面所构造的自动装配设备能够尤其是被构造用于执行依据所述第一方面的方法。

附图说明

接下来将参照所附附图借助于多个实施例来阐述本发明。在附图中相同的附图标记描述相同的元件。附图中：

图1至图8示出了用于制造两个接合件之间的烧结连接的方法的不同的步骤；

图9示出了载体框架的立体图示；

图10示出了装备有粉末载体的依据图9的载体框架的立体图示，其中在粉末载体上施加有粉末层；

图11示出了一个盒体的立体图示，该盒体装备有多个载体框架，在多个载体框架中的每个装备有粉末载体，在粉末载体上施加有粉末层；

图12示出了一个输送段的立体图示，在该输送段中设置有装备有一个粉末载体的载体框架，其中，在粉末载体上施加有粉末层；以及

图13A至图13H示出了用于制造两个接合件之间的烧结连接的方法的不同的步骤。

具体实施方式

图1示出了穿过粉末载体4的一个横截面，在粉末载体4上施加有粉末层5。粉末载体4能够例如为薄膜，其厚度例如在50μm至500μm之间。该膜能够例如由温度稳定的材料如PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)或PTFE(聚四氟乙烯)或其他材料等组成。

粉末层5能够具有银粉末或者由银粉末构成。粉末层5在粉末载体4上面的施加能够例如由此实现，即含有银粉末和溶剂的黏胶作为薄层涂覆在粉末载体4上并且然后干燥，从而使得溶剂蒸发并且将粉末层留下。粉末层5在粉末载体4上面的施加然而并不限于这种方法。原则上来说也能够替代地使用任意其他的方法。

粉末载体4能够与位于其上的粉末层5一起设置在载体框架3之上，结果在图2中示出。替代地能够首先仅仅将粉末载体4而不将粉末层5设置在载体框架3之上，并且然后将粉末层5如前所述地涂覆在粉末载体4之上，这样的结果同样会形成如图2所示的装置。

为了简化粉末载体4在载体框架3上面的定位并且准确地将粉末载体4固定在载体框架3上，载体框架3可选地具有多个调整销31，这多个调整销中的每个嵌入该粉末载体4的相对应的调整开口41之中。调整开口41能够例如以两个平行的排来安置，这两个平行的排分别接近粉末载体4的侧面的边缘地加以走向。此类的调整开口41能够被用于粉末载体4的目标精确的定位和/或用于输送粉末载体4，例如借助于牵引装置。然而，代替调整开口41和调整销31原则上也能够提供任意其他的调整元件。

在作为膜来构造粉末载体4的情况下，该膜能够绷紧在载体框架3之上。这意味着该膜在将其固定在载体框架3上之前进行旋转并且以旋转的状态固定在该载体框架3处。在固定的状态下该膜相对于绷紧的状态进行旋转。只要该膜绷紧在载体框架3之上，此后该粉末层5则已经涂覆在该膜之上了，该膜的旋转仅仅以一定程度发生，以该程度不会损坏粉末层5。

如以下在图3和在图4的结果中示出的那样，第一接合件1例如借助于自动装配设备(例如芯片键合器，英语为die bonder)的放置工具70来容纳、设置在位于粉末载体4之上的粉末层5上并且借助于第一按压压强p1相对于粉末层5按压。在此，粉末层5位于第一接合件1和粉末载体4之间。第一按压压强p1能够例如大于0.1MPa地加以选择和/或小于20MPa地加以选择。为了能够实现足够的第一按压压强p1的构建而设置有第一逆止件71，其在按压期间施加在粉末载体4的与粉末层5背对的侧之上。

可选地，第一逆止件71具有弹性的均衡垫710(例如有机硅或由全氟弹性体构成)，该弹性的均衡垫710在按压期间施加在该粉末载体4的与粉末层5背对的侧上。通过使用这样的均衡垫710能够确保能够将粉末层5的粉末层区段51从粉末载体4整齐地拆下。

将第一接合件1按压至粉末层5将会影响粉末层5的区段51(接下来也称作“粉末层区段”)与第一接合件1的粘附，当第一接合件如在图5中所示那样再次从粉末载体4取下时。将第一接合件1按压至粉末层5和/或接下来将该接合件1从粉末载体4以及粘附至第一接合件1的粉末层区段51取下能够可选地通过放置工具70进行。

如借助于图3和图4能够看出的那样，第一逆止件71和载体框架3相对彼此可调节，从而使得在第一逆止件71和粉末载体4(例如在与粉末载体4垂直的方向上)之间的距离能够得以设置。该可调节性能够例如通过以下方式给出，即第一逆止件71被取下并且倾斜，和/或通过接下来将阐述的输送段9结合载体框架3以及安装在其上的粉末载体4和位于粉末载体4之上的粉末层5取下并且倾斜。

可选地，在此该第一逆止件71主要从相对于载体框架3的第一位置(图3)移位至相对于载体框架3(图4)的第二位置。第一按压压强p1然后得以产生，当第一逆止件71处于第二位置时(图4)。之后，第一逆止件71能够可选地再次被带至第一位置。

依据一个设计方案，载体框架3能够具有通孔30，在该通孔之中第一逆止件71嵌入其第二位置。在其第一位置该第一逆止件并不会嵌入该通孔之中，或者仅仅使得该载体框架3能够借助于平移运动相对于第一逆止件71在第一逆止件71和粉末载体4之间的间距相同时任意移动，而不需使得第一逆止件71阻止或者限制该平移运动。在所示的示例之中，这样的平移运动的走向垂直于所示平面。

依据另一个可选的设计方案，平移运动能够借助于输送段9来实现，在该输送段之上或者在该输送段之中该载体框架3与安装至其上的粉末载体4以及位于粉末载体4之上的粉末层一起设置。这样的输送段9的一个示例在图12中示出。

输送段9能够具有一个或者多个通孔90，其中，第一逆止件71在其第二位置嵌入通孔90中的一个。在其第一位置该第一逆止件71并未嵌入通孔90之中，或者仅仅使得载体框架3在所提及的平移运动中相对于第一逆止件71并且相对于输送段9在第一逆止件71和粉末载体4之间的相同的间距时沿着输送段9任意移动，而不需要第一逆止件71阻止或者限制该平移运动。

粘附至第一接合件1的粉末层区段51然后如从图6和图7的结果所示出的那样设置在第一接合件1和第二接合件2之间并且在第一接合件1和第二接合件2之间产生烧结连接，通过以下方式，即第一接合件1和第二接合件2在第二按压压强p2的作用向相对彼此按压，从而使得粉末层区段51既接触第一接合件1也接触第二接合件2并且在此烧结。通过该烧结由粉末层区段51来构造出烧结层51'，其被设置在第一接合件1和第二接合件2之间，进而在第一接合件1和第二接合件2之间延伸并且材料配合地连接。第二按压压强p2能够例如至少为0.1MPa。

第一接合件1能够涉及例如半导体芯片，第二接合件2例如涉及电路载体。

半导体芯片1能够原则上涉及任意半导体芯片，例如MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、晶闸管、JFET(结型场效应晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)、二极管等。

第二接合件2能够例如被构造为金属层。其能够存在为单独的部件、例如导体框架(“引线框架”)。同样地，第二接合件2能够被构造为具有介电的绝缘载体20的陶瓷基体，其例如具有陶瓷或者由陶瓷组成。其他介电的材料然而同样是可能的。在绝缘载体20之上覆层有上金属化层21以及可选的下金属化层22。金属化层21和22被设置在该绝缘载体20的相反设置的侧之上并且材料配合地与其相连接。作为用于上金属化层21的材料以及只要存在则作为用于下金属化层22的材料，合适的是良好导电的金属，例如铜或者铜合金、铝或者铝合金、但是也能够是其他任意金属或者合金。只要绝缘载体20具有陶瓷或者由陶瓷组成，那么陶瓷能够涉及氧化铝(Al₂O₃)、或者氮化铝(AlN)或者氧化锌(ZrO₂)，或者涉及混合陶瓷，其除了所提及的陶瓷材料的至少一种之外还具有至少一种另外的与上述不同的陶瓷材料。例如，电路载体2能够被构造为DCB基体(直接铜键合)、DAB基体(直接铝键合)、AMB基体(活性金属焊接)或者IMS基体(绝缘金属基体)。上金属化层21以及可能存在的下金属化层22能够彼此独立地分别具有0.05mm至2.5mm的厚度。绝缘载体20的厚度能够例如在0.1mm至2mm的范围内。比所给出的厚度更大的或者更小的尺寸然而同样也是可能的。

为了实现足够的第二按压压强p2的构建，第二逆止件72能够得以设置，其在按压期间被施加在第二接合件2的与第一接合件1相反的侧之上。

在烧结之后，放置工具70和第二逆止件72能够从包含第一接合件1、第二接合件2和烧结层51'的烧结组合移除，这一点在图8中加以示出。

图9再一次示出了设置有调整销31的载体框架3的立体图示，图10示出了依据图9的载体框架在将粉末载体4安装至载体框架3之后并且在将粉末层5覆层在粉末载体4上之后的立体图示。

为了简化处理，盒体8能够得以使用，该盒体能够容纳两个或者更多个载体框架3，在该些载体框架处分别如前所述安装有设置有粉末层5的粉末载体4。为了针对前述方法提供载体框架3，在该载体框架处安装有如参照图2所阐述的设置有粉末层5的粉末载体4，位于盒体8之中的载体框架3中的一个和安装于其上的粉末载体4以及位于该粉末载体4之上的粉末层5一起从该盒体中取出。图11示出了此类装备的盒体8在取出载体框架3中的一个的一个示例，在该示例中位于盒体8之中的载体框架3与所属的粉末载体4以及位于其上的粉末层5一起在箭头的方向上从盒体8中取出，这一点例如借助于示例性地示出的自动的输送装置10例如夹子或者其他合适的自动的输送装置来实现。

从盒体8中取出的载体框架3能够然后与粉末载体4以及位于其上的粉末层5一起被带至一个位置，在该位置处第一接合件1相对于粉末层5被按压。该位置相应于图3至图5中示出的位置。为此，从盒体8中取出的载体框架3如在图12中所示出的那样然后与所属的粉末载体4以及位于其上的粉末层5一起被置位在可选的输送段9之上并且借助于其带至上述位置(图12通过实线箭头示出)，在该位置然后第一接合件1相对于粉末层5得以按压。

借助于图13A至图13H现在再次概略地示出所阐述的方法。

图13A示出了多个位于盒体8(盒体本身仅仅通过其附图标记加以示出，这样的盒体8的一个示例在图11中示出)中的载体框架3，在载体框架处分别安装有设置有粉末层5的粉末载体4。借助于自动的输送装置10载体框架3中的一个和所属的粉末载体4以及位于其上的粉末层一起从盒体8中取出，置位于输送段之上(未示出，这样的输送段9的一个示例在图12中示出)并且借助于输送段带至一个位置，在该位置然后第一接合件1相对于位于粉末载体4之上的粉末层5按压。图13B示出了在该位置的载体框架3。第一接合件1在图13B中示出，通过自动装配设备的放置工具70来固定，而且与粉末层5隔开。

在位于粉末载体4之上的粉末层5上然后如在图13B中借助于箭头所示出的那样并且在图13C中示出的结果那样，第一接合件1被设置并且借助于第一按压压强p1相对于粉末层5和粉末载体4按压，这将通过放置工具70来实现。为了实现足够高的第一按压压强p1的构建，第一逆止件71能够得以使用，如其参照图3至图5所阐述的那样。在图13B和图13C之中，这样的第一逆止件71未示出，但是依然存在。第一按压压强p1能够例如比0.1MPa更大地加以选择，和/或比20Mpa更小地加以选择。

在设置粉末层5之前和/或之后，第一接合件1能够加热至一个温度，该温度处于室温之上，例如高于50℃，以便将粉末层区段51准确地粘附至第一接合件1。该次加热能够例如借助于放置工具70的加热装置701(参见图3和图4)来实现。

具有与之粘附的粉末层区段51的第一接合件1能够现在通过放置工具70或者以其他方式从载体框架3和粉末载体4取下(图13D)并且如此地设置在第二接合件2上(图13E和图13F)，从而使得粉末层区段51处于第一接合件1和第二接合件2之间并且穿过第一接合件1直至第二接合件2地延伸。

为了防止粘附至第一接合件1的粉末层区段51已经开始显著地烧结，在第一接合件1与粘附至其上的粉末层区段51设置在第二接合件2上之前，第一接合件1能够从将第一接合件1设置在具有粉末层5的粉末载体4上(图4和图13C)直至将第一接合件1和粘附至其上的粉末层区段51设置在第二接合件2上保持在一个温度上，该温度如此小，以致于位于粉末层区段51处的金属粉末不会或者不会明显开始烧结，例如该温度在少于100℃的范围之中。

依据在图13E和图13F所示的借助于非写实的火焰，在第二接合件2之下所示出的选项下第二接合件2在设置在第一接合件1和粘附至其上的粉末层区段51上之前能够预加热，例如加热至至少100℃，从而使得在设置在第一接合件1上之后的烧结工艺包括粘附至粉末层区段51至第二接合件2上地几乎没有延时地进行，由此显著地减少该工艺时间。可选地，第二接合件2在预加热至一个温度时也被加热，该温度小于400℃，以便使得第一接合件1的热负担在其设置之后保持为较小。第二接合件2的加热能够例如借助于第二逆止件72的加热装置721来实现(图6和图7)。在图13E和图13F中此类的第二逆止件72并未示出但是依然存在。

在将第一接合件1和粘附至其上的粉末层区段51设置在第二接合件2上之后，放置工具70能够可选地加热，以便加速烧结位于粉末层区段51之中的金属粉末。为了加热放置工具70，该放置工具能够具有集成的电阻加热装置701，如其已经阐述的那样。

此外如在图13G和相对应的图7中所述的那样，为了烧结而将超声波信号US馈入粉末层区段51之中。为此，超声波发生器702、例如压电的超声波发生器得以使用，例如集成在放置工具70之中。所馈入的超声波信号US影响能量输送以及在粉末层区段51中含有的金属粉末的密度，这将造成渗透性程度的降低，由此既能够缩短烧结持续时间也能够提高所制造的烧结连接的质量。

粉末层区段51的烧结能够在任何情况下在烧结工艺中实现，在该烧结工艺中在预先给定的烧结持续时间期间不间断地实现预设方式，从而使得粉末层区段51被设置在第一接合件1和第二接合件2之间并且穿过第一接合件1延伸至第二接合件2，进而使得第一接合件1和第二接合件2借助于按压压强p2在最小按压压强(例如0.1MPa)相对彼此地按压，使得粉末层区段51保持在一个温度范围内，该温度范围在最小温度之上，并且将超声波信号US耦入粉末层区段51。

图13H和相对应的图8示出了经制造好的组合，在该组合中第一接合件1和第二接合件2通过经烧结的粉末层区段51固定地并且材料配合地以及可选地也能够导电地相互连接。

本发明实现了在生产和排除潜在的来源自手动操作的错误源的性能的提高。为此能够(例如芯片键合器)借助于自动的粉末载体供给装置(其具有例如输送机10和/或输送段9)来设置自动装配设备，借助于该自动装配设备来输送处于其上为粉末层5的粉末载体4(并且为此例如从盒体8中取出)。在输送了设置有粉末层5的粉末载体4之后，第一接合件1借助于放置工具70设置在粉末层5之上，抵接该粉末层并且抵接粉末载体4地压入，从而使得粉末层5的一个区段51保持在第一接合件1处并且与第一接合件1一起从粉末载体4取下并且能够继续得以处理。