用于通过在包含低氧气氛的可封闭的室中低温加压烧结生产电子组件的方法和装置

摘要

用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法，该方法包括以下步骤：将电子部件安排在具有导体轨道的电路载体上，并且通过低温加压烧结接合材料将该电子部件连接到该电路载体上，其中，为了避免该电子部件或该导体轨道的氧化，该低温加压烧结在包含具有0.005％至0.3％的相对氧含量的低氧气氛的可气密封闭的烧结室(10)中进行。烧结操作可以在几乎无氧的气氛中进行，只要存在含有足够的氧并且在压力下释放其的含氧材料，如特氟隆分隔膜(68)，使得在处理气氛中的最小氧浓度可以通过施加压力和温度在烧结位置直接实现。在封闭该烧结室(10)并且建立该低氧气氛之后，在进行该烧结之前可以经过一段时间以允许该室(10)内的材料与该低氧气氛的平衡。如果该电子组件在该低温加压烧结之后被部分氧化，则该电子组件可以用还原剂喷射或蒸发涂覆。

说明书

本发明涉及用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法和装置，该方法包括以下步骤：将电子部件安排在具有导体轨道的电路载体上，并且通过低温加压烧结将该电子部件连接到该电路载体上的接合材料而将该电子部件连接到该电路载体上。

这种类型的方法是例如由DE 10 2008 009 510 B3已知的。

低温加压烧结的基本缺点是有待接合的部件和电路载体的加热不仅加速所引入的接合材料(例如，银(Ag))扩散到有待接合的零件的连接金属(例如，包括金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)的贵金属)中，而且还辅助金属表面的氧化。因此，例如，铜(Cu)的氧化在80℃下比在室温下明显地开始更快地进行。

因此，在经历加压烧结过程之后，未处理的电子组件有规律地具有高度氧化的状态，表现为均匀亚光棕色表面，而不是最初明亮的粉红色铜表面。

为了预防这些金属表面的氧化，已知的对策是用贵金属涂覆铜导体轨道或导体区域和部件接合区域以防止氧化。具体地，为此目的使用Ni闪(Ni-flash)Au或Ni-Pd涂料。

然而，这种保护措施的缺点是增加的工作量和成本，并且此外已经发现，以这种方式处理的表面减缓氧化，但不完全预防氧化。特别地，在实验中已经发现，在由这些手段保护的表面上不可能进行两阶段烧结操作，即，具有一个接一个的两个烧结操作的过程。

因此，本发明的目的是提供一种用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法，该方法使得能够有效地预防电子组件的暴露的金属表面(特别是该一种或多种导体轨道和部件连接部(connection))的氧化。

根据本发明，此目的通过具有独立权利要求的特征的方法和装置得以实现。从属权利要求描述了本发明的有利配置。

本发明的基本概念是当进行(热)烧结过程时通过几乎完全排除氧来预防金属表面的氧化，在此方面已经发现完全排除氧(即无氧气氛)妨碍该烧结操作。根据本发明，因此将用于烧结操作的氧含量设定为在0.005％与0.3％之间的最小值。确切地，足够小使得氧化过程不发生或几乎不发生，并且恰好足以使烧结操作能够成功地进行并且产生耐用产品的量。

原则上，可以提供上模具和/或下模具用于烧结操作，这两个模具中的至少一个是可加热的。方便的是，将电路载体安排在下模具上，上模具用于产生反压力。因此，电子部件通过经由上模具和下模具朝向彼此的相对移动在该上模具与该下模具(具有电路载体)之间产生的压力经受低压加压烧结。为此，该下模具或该上模具可以是可移动的，或者两个模具可以相对于彼此移动以产生压力。优选地，下模具针对固定的上模具移动，该上模具包含用于准静水压压力分布的压力垫。对于压移动性，优选的是下模具和/或上模具是电动液压驱动的。

特别地，在具有带压力垫的上模具的烧结装置的情况下，已经发现该压力垫(例如硅酮垫)在气氛条件下接收和储存大比例的氧。这增加了在压制操作期间有待连接的金属零件的氧化。因此，烧结操作可以在几乎无氧的气氛中进行，只要存在含氧材料，该含氧材料含有足够的氧并且在压力下释放氧，使得在烧结操作过程中，在处理气氛中的上述最小氧浓度可以通过施加压力和温度在烧结位置直接实现。此种含氧材料的实例可以是用于将压力垫与有待烧结的部件分隔的分隔膜，其直接搁置在该有待烧结的部件上。因此，绝对需要烧结操作在可气密封闭的室内进行，其中可以进行通过低氧气氛的环境气氛的气体置换。相比之下，通过用气体淹没的纯净气体稀释已被证明是不充分的。

特别地，在烧结操作之前，特别有利的是，使压力垫，和/或在压力垫与烧结部件之间的分隔膜，与低氧气氛平衡，并且由此置换附着于该压力垫或已经扩散到该压力垫中的氧分子，并且从该室移除这些氧分子。压力垫和/或分隔膜包含的材料可以以类似于海绵可以吸收液体的方式从储存它们的环境中吸收气体(包括氧气)。此类吸收的气体当环境气氛改变时可能不立即离开这些材料，并且可能在此种气氛改变之后继续从该材料扩散出去持续一段时间。在本发明中，这可能是关键的，因为在已经封闭室和气氛改变之后由压力垫和/或分隔膜材料释放到该室中的气氛气体(包括氧气)增加存在的氧气的量是所优选的低氧气氛。为了避免这种情况发生，在环境气氛(包括氧气)已经被泵出该室之后，发现用于材料平衡的一段时间是有益的。在该时间段期间，先前被压力垫和/或分隔膜包含的材料吸收的氧气(和其他气体)可能扩散到该室中，并且可以在烧结过程开始之前被泵出。根据本发明，允许用于平衡的该时间段为0.5分钟至20分钟。优选地，允许用于平衡的该时间段是在1分钟与10分钟之间、特别优选在3分钟与5分钟之间。还已经发现，高温(高于环境温度的温度)减少了平衡所需的时间，并且这是缩短本发明方法并且因此电子组件的生产量的总周期时间的明显优点。此种高温的上限将由有待烧结的材料的氧化速度给出。在其中铜表面被烧结的情况下，则根据本发明，在平衡期间该室内的部件的温度是在80℃与100℃之间。优选地，在平衡期间在该室内的部件的温度是在85℃与95℃之间。

有利的是，分隔膜由聚合物、特别是特氟隆(Teflon)(PTFE)组成，因为这种材料在形状上是可变的并且在压力下稳定，并且预防有待烧结的部件通过从压力垫分离的材料、特别是硅酮残余物的污染。

如已知的，用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法因此包括以下步骤：将电子部件安排在具有导体轨道的电路载体上，并且通过低温加压烧结将该电子部件连接到该电路载体上的接合材料而将该电子部件连接到该电路载体上。根据本发明，在此提出，为了避免该电子部件或该导体轨道的氧化，该低温加压烧结在具有0.005％至0.3％的相对氧含量的低氧气氛中进行。该低氧气氛优选具有0.05％至0.25％、特别优选0.05％至0.15％的相对氧含量。

该低氧气氛优选包含氮(N)、二氧化碳(CO₂)、稀有气体或上述气体的混合物，仅需要注意对烧结操作有利的上述的氧比例。

如果在给定情况下应该发现，该电子组件在低温加压烧结之后被部分氧化，则该电子组件可以用还原剂喷射或蒸发涂覆。对于蒸发涂覆，甲酸(CH₂O₂)是优选合适的。

所使用的接合材料优选是以含银烧结膏的形式可获得的银(Ag)。可以想到在该烧结膏中提供Cu/Ag粉末、银合金和另外的成分。该烧结膏可以以薄片形式安排在电子部件与电路载体之间，并且因此有可能实现简单的预制和用膏均匀涂覆接触点。

有利的是，烧结温度位于230℃与300℃之间、优选位于240℃与280℃之间、特别是250℃，以便以能量有效的方式产生可靠的烧结连接部。

有利的是，烧结压力是在20Mpa与40Mpa之间、优选在25Mpa与35Mpa之间、特别是30MPa，以便以能量有效的方式产生可靠的烧结连接部。

这些电子部件可以是无源或有源部件。

本发明的第二方面提出了一种用于进行上述方法之一的装置。该装置包含具有用于将电子组件加热至高达100℃的加热装置的第一室(预热室)。将用于在最高达300℃的温度和最高达30MPa的压力下进行低温加压烧结、具有上模具和下模具的第二室(烧结室)连接到该第一室。这两个模具中的至少一个、优选两个模具是可加热的。此外，提供了连接到该第二室的第三室(冷却室)，用于将烧结的电子组件冷却到80℃。至少该第二室是可气密封闭的并且配备有用于产生低氧气氛的器件。

可替代地，可以提供单独的烧结室，将其设置为在压力和温度下进行压力室烧结。此外，此单独的室可以被设置为预热和/或冷却电子组件。

可替代地，可以提供预热室和具有冷却能力的烧结室或者具有预热能力的烧结室与连接的冷却室。

有利的是，可以提供第四室(还原室)，其将该第二室连接到该第三室，并且具有用于引入气态或蒸气还原剂、特别是甲酸的器件。可替代地，可以在单个烧结室或第三室(冷却室)中提供用于引入喷射或蒸发涂覆还原剂的器件。该还原室可以包含加热装置，该加热装置被设计成支持从烧结温度到冷却温度的相对平坦的冷却斜坡，使得电子部件可以已经在还原操作期间在还原室中以受控的方式被冷却，以便缩短冷却时间或实现部件温度的希望的平坦温度冷却斜坡。

优选的是，两个相邻的室，特别是所有的室，可以按气密方式并且特别是在真空气氛中通过室分隔装置进行连接。该室分隔装置可以呈具有两个真空闸阀的转移装置的形式或者呈具有真空闸阀的阀门装置的形式。由此，可以在单独的室中提供彼此分隔的温度和气氛条件。

原则上，将两个或更多个室依次地线性安排，使得电子部件可以在线性周期过程中依次被处理。可替代地，可以想到将这些室安排成弧形或圆形，在这种情况下，有待处理的部件可以被中心地引导到每个室中和从其中移除，并且可以被带入不同的室中，使得可以实施圆的周期过程。在这方面，这些室不能彼此连接，而是具有转移装置或门装置至移动装置、特别是输送机器人，其可以将部件从一个室输送到另一室中。在这种情况下，在没有一个室的情况下，另一个室可以执行其任务，而不中断制造过程，其结果是有可能实现高的灵活度和烧结过程对干扰的降低的敏感性。

在有利的发展中，可以提供下模具的电动液压驱动器，该下模具具有模具滚筒(die cylinder)。该模具滚筒可以包括在液压贮槽(hydraulic sump)中的活塞杆和活塞环，该活塞杆具有大于或等于该下模具的模具直径的直径。该活塞杆可以被通过该活塞环轴向引导并保持在滚筒壳体中。这提供了在烧结室中的压制装置，其可以形成为紧凑的结构单元并且可以实现模具表面的高的并行度以及还有上模具和下模具的精确的X/Y定向以及还有均匀的压力产生。

将基于附图中示出的示例性实施例更详细地解释本发明，其中：

图1示出了具有单个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的装置；

图2示出了具有两个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的装置；

图3示出了具有三个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的装置；

图4示出了具有四个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的装置；并且

图5示出了根据本发明的用于烧结室的压制装置的示意性结构。

图6示出了根据本发明的方法的流程图。

图7示出了在利用多于一个室的实施例中的根据本发明的方法的流程图。

图1示出了具有单个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的装置。

单个烧结室10具有用于工件载体13的装料口12，该工件载体被设置成接收有待处理的组件。在烧结室10内存在压力机，该压力机由对应地可加热/可冷却的下和上模具单元11a和11b组成。为了进行根据本发明的方法，工件载体13通过装料口12并且被置于下和上模具单元11a和11b之间，通过将模具11a、11b移动到一起并且通过加热来烧结组件(未示出)。此外，可以想到，两个模具11a、11b中的一个是固定的，并且对应的另一个模具11a、11b相对于固定的模具11a、11b移动。在完成烧结之后，具有组件的工件载体13通过移出而再次通过装料口12被移除。为了产生恒定的烧结压力，希望在X/Y平面中是精确的两个模具11a、11b的平行的相对定向，并且这可以通过压制装置的设置装置(未示出)来实现。该设置转置可以在X/Y方向上相对于彼此调节上模具和/或下模具11a、11b，并且引起模具表面的平行定向。

任选地，可以在烧结操作和模具11a、11b的打开之后在烧结室10中进行所存在的任何氧化物膜的还原。在用工件载体13装料烧结室10之后，通过填充和排空喷嘴15a、15b进行烧结气氛的产生。

图2示出了具有两个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的装置的优选的配置。

此装置的结构在很大程度上与图1中示出的结构相同，但是补充有室20，该室被安排在烧结室10的上游并且其中基底以无氧方式预热并且还在烧结室10中烧结之后以无氧方式被冷却。两室方案优于图1中示出的一室方案的优点是更快的周期速率，因为烧结室10中的加热系统14然后不必将整个热物质加热至烧结温度并再次将其冷却下来。

图3示出了具有三个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的具有特别优选的配置的装置，该三室方案使得能够使工件载体13连续地通过第一室20(无氧加热)、第二(烧结)室10(低氧烧结)和第三室30(无氧冷却至室温)。

图4示出了具有四个烧结室的用于进行用于通过低温加压烧结生产电子组件的方法的具有极其优选的配置的装置。

该四室方案在功能上大体上对应于该三室方案，但是附加地配备有另外的(第四)室40，该第四室允许在烧结之后主动还原残余的氧化物。在如图3中示出的第二与第三室20、30之间提供另一个室40是特别有利的，因为已经发现，真空炉中的表面实际上被燃烧产物的残余物覆盖，其中氧的锚定簇形成。这些簇仅在延长的焙烧和排放阶段后逐出。然而，正在进行生产时不希望这些焙烧阶段。

因此提出在另一室40中进行无氧或低氧烧结之后的氧簇和氧化形成物(oxideformation)的主动还原。这可以优选通过氢气的组分或蒸气甲酸组分(甲酸CH₂O₂)进行。随后可能在第四室40中进行用于排出的无氧冷却。

这些工件载体通常在同步步骤中连续传输通过所有这些室，在这4个室中之一中的最慢的处理步骤决定周期时间。

方法100然后如下进行(参见图6)：

-将在工件载体上的有待烧结的组件或任选地多个组件通过可气密封闭的开口供应到上模具与下模具之间的压力空间中101；

-封闭该开口102，随后加热103，用于(技术的)低氧气氛(例如氮气)的环境气氛的气体交换104，等待该室内的材料与该低氧气氛平衡104a，封闭上和下模具105，在达到烧结温度时建立烧结压力106；

-完成低温加压烧结并且将模具温度降低至低于80℃的107，打开上模具和下模具108，通过室开口移除组件或工件载体109；并且

-提供用于随后烧结的设备。

具体地，所描述的室可以具有两个可气密封闭的开口，通过这些开口可以通过入口开口进行连续的串联装料，并且可以通过第二开口进行移除。

连续的工作流程和装置的生产量的提高通过以下措施来实现，这些措施也可以单独应用，并且在图7中示出：

在具有近似气密封闭件和入口开口的第一室20中，供应工件载体111并且封闭该入口开口112。第一室20的出口开口也是第二室10的入口开口。当打开该入口开口时，封闭此出口开口110。当封闭两个可气密封闭的开口时，用于工艺气体气氛的环境气氛的气体交换104在第一室20中发生。

在气体交换之后，工件载体的加热发生直到低于初始烧结的极限值(例如100℃)113。随后，打开第二开口114，并且通过输送装置将该工件载体从第一室20通过该第二开口带入到第二室10中115。

在第二室10中，工艺气体气氛永久地占优势。该第二室10同样具有入口开口和出口开口。当工件载体进入第二室10时，封闭第三室40的出口开口。在第二室10中，该工件载体被放置在压实装置的上模具与下模具之间。然后允许该室内的材料与低氧气氛平衡持续一段时间104a。然后，该工件载体的进一步加热和接合层的压实通过将上模具和下模具移动到一起来实现105。已经发现，压实还对热传递具有积极影响，并且因此优选地随着这些模具移动到一起进行加热106。在进行烧结之后，将这些模具移动分开并且将该第三室40用工艺气体淹没117。随后，打开第三开口118，并且通过输送装置将该工件载体从第二室10通过该第三开口带入到第三室40中119。

第三室40任选地具有用还原成分的工艺气体富集。这些可以是氢气的组分或蒸气甲酸组分(甲酸CH₂O₂)。这些物质还原在金属上出现的氧化物、特别是铜氧化物。如果在加热和烧结阶段中没有完全预防在第一和第二室20，10中的氧化物的形成，这有助于消除氧化物。在第三室40中的停留时间期间，将工件载体保持在烧结温度120。已经发现，氧化物的还原然后是处于最佳，并且同时继续烧结。

可以永久地在第三室40中维持工艺气体富集。在第三室40中的还原和烧结过程完成之后，第四室30被工艺气体淹没(没有还原富集)。随后，打开第四开口，并且通过输送装置将工件载体从第三室40通过该第四开口带入到第四室30中121。

第四室30用于在工艺气体下冷却至室温107，进行这一操作直到达到80℃，继续氧化所处的温度变为无关紧要。对于设置为80℃的工件载体，通过停留板(dwelling plate)来辅助冷却。通过与电子部件的机械接触，停留板31可以通过可预定的温度冷却斜坡进行受控冷却。停留板31可以呈流体流过的冷却或加热装置的形式。当已经达到80℃的温度时，通过打开第五开口122可以排出工件载体109。这之后是，用工艺气体重新填充第四室30用于下一工件载体(其由第三室40进料用于无氧冷却)。

这些室的运行和转移-气密-可封闭的开口的激活优选地通过共用的工作周期发生器来同步。工作周期由最慢的处理步骤决定。这是在第二室2中的低温加压烧结，其耗费约10分钟。同样可以设定至少3分钟直至21分钟的周期速率。为了实现这些室中的过程的对应目的，有利的是工件载体在室20、40和30中停留更长时间，并且这因此应该被容忍而没有限制。在这些室中的过程的单独的目的是：

第一室20：无氧加热至高达100℃

第二室10：最大300℃和最大30MPa下低氧加压烧结

第三室40：任选还原残余氧化物

第四室30：无氧冷却至80℃。

图5示出了用于烧结室10中的压制装置50的示例性实施例。压制装置50具有电动液压驱动器52，借助于该电动液压驱动器，下模具11b可以针对固定的上模具11a移动以产生烧结压力。驱动器52被设计成实现30MPa的压制压力。上模具11a包含加热装置14a，并且下模具11b包含加热装置14b。在上模具上安排由硅酮制成的压力垫64，用于在安装在工件载体13上的烧结部件上产生准静水压烧结压力。用于将压力垫64与有待烧结的部件分隔的分隔膜68在烧结过程期间直接搁置在该有待烧结的部件上。下模具11b被安排在模具滚筒54上，该模具滚筒的直径大于下模具11b的直径。模具滚筒54包括活塞杆56，该活塞杆由在滚筒壳体62的液压贮槽60中的活塞环58引导并且定向，使得下模具11b的表面平行于上模具11a的表面定向。下模具11b可以通过设置装置66相对于上模具11a在下模具11b的X/Y表面平面中定向。活塞环58承载并引导活塞杆56，并且限定下模具11b在竖直方向上朝向上模具11b的均匀且定向的运动。