本發(fā)明涉及一種用于制造材料配合的連接的方法和自動裝配設(shè)備。

背景技術(shù)：

在許多技術(shù)領(lǐng)域例如功率電子裝置之中需要機械的和可能也包括的導(dǎo)電的連接，該連接是耐高溫并且對于溫度變化是穩(wěn)定的。尤其地，在功率電子裝置領(lǐng)域，由于上升的功率密度和增長的更為緊湊的構(gòu)建方式而能夠期待半導(dǎo)體構(gòu)件、電子組件等的運行溫度將進(jìn)一步持續(xù)上升。

因此，對于連接技術(shù)存在如下需求，即滿足這些要求。作為有前途的方法有所謂的低溫連接技術(shù)(NTV)。代替之前常用的鐵焊工藝，在此將在所連接的部件之間嵌入并且燒結(jié)有銀粉末，由此產(chǎn)生這些部件的材料配合的連接。在此，存在以下危險，即銀粉末在處理期間部分地丟失，因為銀粉末在傳統(tǒng)的方法中手動地供給，這與高額的花費聯(lián)系在一起。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種經(jīng)濟的用于制造高溫固定的并且溫度切換穩(wěn)定的材料配合的連接，以及提供一種用于執(zhí)行這樣的方法的設(shè)備。該任務(wù)將通過依據(jù)專利權(quán)利要求1所述的用于制造材料配合的連接的方法以及通過依據(jù)專利權(quán)利要求14的用于制造材料配合的連接的自動裝配設(shè)備來解決。本發(fā)明的設(shè)計方案以及改進(jìn)方案將是從屬權(quán)利要求的主題。

本發(fā)明的第一方面提出了一種用于在第一接合件和第二接合件之間制造材料配合的連接的方法。在所述方法中借助于自動的粉末載體供給裝置提供粉末載體，在所述粉末載體上施加有含有金屬粉末的粉末層。將所述第一接合件按壓至位于所述粉末載體之上的粉末層，以使得粉末層區(qū)段粘附所述第一接合件。將所述第一接合件從所述粉末載體和粘附在所述第一接合件處的粉末層區(qū)段一起取下，并且在所述第一接合件和所述第二接合件之間安置粘附在所述第一接合件處的粉末層區(qū)段。在所述第一接合件和所述第二接合件之間通過將所述第一接合件和所述第二接合件相對彼此地按壓來制造燒結(jié)連接，以使得粉末層區(qū)段既接觸所述第一接合件也接觸所述第二接合件。所述粉末層區(qū)段在所述相對彼此按壓的期間燒結(jié)。

第二方面涉及一種用于將第一接合件裝配至第二接合件與第一接合件的安裝的自動裝配設(shè)備。所述自動裝配設(shè)備具有自動的粉末載體供給裝置，借助于所述自動的粉末載體供給裝置能夠從一個盒體中取出粉末載體和粉末層，在所述粉末載體之上施加有含有金屬粉末的粉末層。所述自動裝配設(shè)備還具有放置工具，借助于所述放置工具容納所述第一接合件并且在從所述盒體中取出所述粉末載體之后在位于所述粉末載體處的粉末層上能夠得以按壓，以使得所述粉末層的一個區(qū)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層的區(qū)段一起能夠從所述粉末載體取下。所述自動裝配設(shè)備被構(gòu)造為在取下之后將粘附至所述第一接合件的所述粉末層的區(qū)段如此地安置在所述第一接合件和所述第二接合件之間，以使得所述粉末層的所述區(qū)段既施加在所述第一接合件處也施加在所述第二接合件處。

依據(jù)本發(fā)明的第二方面所構(gòu)造的自動裝配設(shè)備能夠尤其是被構(gòu)造用于執(zhí)行依據(jù)所述第一方面的方法。

附圖說明

接下來將參照所附附圖借助于多個實施例來闡述本發(fā)明。在附圖中相同的附圖標(biāo)記描述相同的元件。附圖中：

圖1至圖8示出了用于制造兩個接合件之間的燒結(jié)連接的方法的不同的步驟；

圖9示出了載體框架的立體圖示；

圖10示出了裝備有粉末載體的依據(jù)圖9的載體框架的立體圖示，其中在粉末載體上施加有粉末層；

圖11示出了一個盒體的立體圖示，該盒體裝備有多個載體框架，在多個載體框架中的每個裝備有粉末載體，在粉末載體上施加有粉末層；

圖12示出了一個輸送段的立體圖示，在該輸送段中設(shè)置有裝備有一個粉末載體的載體框架，其中，在粉末載體上施加有粉末層；以及

圖13A至圖13H示出了用于制造兩個接合件之間的燒結(jié)連接的方法的不同的步驟。

具體實施方式

圖1示出了穿過粉末載體4的一個橫截面，在粉末載體4上施加有粉末層5。粉末載體4能夠例如為薄膜，其厚度例如在50μm至500μm之間。該膜能夠例如由溫度穩(wěn)定的材料如PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亞胺)或PTFE(聚四氟乙烯)或其他材料等組成。

粉末層5能夠具有銀粉末或者由銀粉末構(gòu)成。粉末層5在粉末載體4上面的施加能夠例如由此實現(xiàn)，即含有銀粉末和溶劑的黏膠作為薄層涂覆在粉末載體4上并且然后干燥，從而使得溶劑蒸發(fā)并且將粉末層留下。粉末層5在粉末載體4上面的施加然而并不限于這種方法。原則上來說也能夠替代地使用任意其他的方法。

粉末載體4能夠與位于其上的粉末層5一起設(shè)置在載體框架3之上，結(jié)果在圖2中示出。替代地能夠首先僅僅將粉末載體4而不將粉末層5設(shè)置在載體框架3之上，并且然后將粉末層5如前所述地涂覆在粉末載體4之上，這樣的結(jié)果同樣會形成如圖2所示的裝置。

為了簡化粉末載體4在載體框架3上面的定位并且準(zhǔn)確地將粉末載體4固定在載體框架3上，載體框架3可選地具有多個調(diào)整銷31，這多個調(diào)整銷中的每個嵌入該粉末載體4的相對應(yīng)的調(diào)整開口41之中。調(diào)整開口41能夠例如以兩個平行的排來安置，這兩個平行的排分別接近粉末載體4的側(cè)面的邊緣地加以走向。此類的調(diào)整開口41能夠被用于粉末載體4的目標(biāo)精確的定位和/或用于輸送粉末載體4，例如借助于牽引裝置。然而，代替調(diào)整開口41和調(diào)整銷31原則上也能夠提供任意其他的調(diào)整元件。

在作為膜來構(gòu)造粉末載體4的情況下，該膜能夠繃緊在載體框架3之上。這意味著該膜在將其固定在載體框架3上之前進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并且以旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)固定在該載體框架3處。在固定的狀態(tài)下該膜相對于繃緊的狀態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。只要該膜繃緊在載體框架3之上，此后該粉末層5則已經(jīng)涂覆在該膜之上了，該膜的旋轉(zhuǎn)僅僅以一定程度發(fā)生，以該程度不會損壞粉末層5。

如以下在圖3和在圖4的結(jié)果中示出的那樣，第一接合件1例如借助于自動裝配設(shè)備(例如芯片鍵合器，英語為die bonder)的放置工具70來容納、設(shè)置在位于粉末載體4之上的粉末層5上并且借助于第一按壓壓強p1相對于粉末層5按壓。在此，粉末層5位于第一接合件1和粉末載體4之間。第一按壓壓強p1能夠例如大于0.1MPa地加以選擇和/或小于20MPa地加以選擇。為了能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的第一按壓壓強p1的構(gòu)建而設(shè)置有第一逆止件71，其在按壓期間施加在粉末載體4的與粉末層5背對的側(cè)之上。

可選地，第一逆止件71具有彈性的均衡墊710(例如有機硅或由全氟彈性體構(gòu)成)，該彈性的均衡墊710在按壓期間施加在該粉末載體4的與粉末層5背對的側(cè)上。通過使用這樣的均衡墊710能夠確保能夠?qū)⒎勰?的粉末層區(qū)段51從粉末載體4整齊地拆下。

將第一接合件1按壓至粉末層5將會影響粉末層5的區(qū)段51(接下來也稱作“粉末層區(qū)段”)與第一接合件1的粘附，當(dāng)?shù)谝唤雍霞缭趫D5中所示那樣再次從粉末載體4取下時。將第一接合件1按壓至粉末層5和/或接下來將該接合件1從粉末載體4以及粘附至第一接合件1的粉末層區(qū)段51取下能夠可選地通過放置工具70進(jìn)行。

如借助于圖3和圖4能夠看出的那樣，第一逆止件71和載體框架3相對彼此可調(diào)節(jié)，從而使得在第一逆止件71和粉末載體4(例如在與粉末載體4垂直的方向上)之間的距離能夠得以設(shè)置。該可調(diào)節(jié)性能夠例如通過以下方式給出，即第一逆止件71被取下并且傾斜，和/或通過接下來將闡述的輸送段9結(jié)合載體框架3以及安裝在其上的粉末載體4和位于粉末載體4之上的粉末層5取下并且傾斜。

可選地，在此該第一逆止件71主要從相對于載體框架3的第一位置(圖3)移位至相對于載體框架3(圖4)的第二位置。第一按壓壓強p1然后得以產(chǎn)生，當(dāng)?shù)谝荒嬷辜?1處于第二位置時(圖4)。之后，第一逆止件71能夠可選地再次被帶至第一位置。

依據(jù)一個設(shè)計方案，載體框架3能夠具有通孔30，在該通孔之中第一逆止件71嵌入其第二位置。在其第一位置該第一逆止件并不會嵌入該通孔之中，或者僅僅使得該載體框架3能夠借助于平移運動相對于第一逆止件71在第一逆止件71和粉末載體4之間的間距相同時任意移動，而不需使得第一逆止件71阻止或者限制該平移運動。在所示的示例之中，這樣的平移運動的走向垂直于所示平面。

依據(jù)另一個可選的設(shè)計方案，平移運動能夠借助于輸送段9來實現(xiàn)，在該輸送段之上或者在該輸送段之中該載體框架3與安裝至其上的粉末載體4以及位于粉末載體4之上的粉末層一起設(shè)置。這樣的輸送段9的一個示例在圖12中示出。

輸送段9能夠具有一個或者多個通孔90，其中，第一逆止件71在其第二位置嵌入通孔90中的一個。在其第一位置該第一逆止件71并未嵌入通孔90之中，或者僅僅使得載體框架3在所提及的平移運動中相對于第一逆止件71并且相對于輸送段9在第一逆止件71和粉末載體4之間的相同的間距時沿著輸送段9任意移動，而不需要第一逆止件71阻止或者限制該平移運動。

粘附至第一接合件1的粉末層區(qū)段51然后如從圖6和圖7的結(jié)果所示出的那樣設(shè)置在第一接合件1和第二接合件2之間并且在第一接合件1和第二接合件2之間產(chǎn)生燒結(jié)連接，通過以下方式，即第一接合件1和第二接合件2在第二按壓壓強p2的作用向相對彼此按壓，從而使得粉末層區(qū)段51既接觸第一接合件1也接觸第二接合件2并且在此燒結(jié)。通過該燒結(jié)由粉末層區(qū)段51來構(gòu)造出燒結(jié)層51'，其被設(shè)置在第一接合件1和第二接合件2之間，進(jìn)而在第一接合件1和第二接合件2之間延伸并且材料配合地連接。第二按壓壓強p2能夠例如至少為0.1MPa。

第一接合件1能夠涉及例如半導(dǎo)體芯片，第二接合件2例如涉及電路載體。

半導(dǎo)體芯片1能夠原則上涉及任意半導(dǎo)體芯片，例如MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、晶閘管、JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)、HEMT(高電子遷移率晶體管)、二極管等。

第二接合件2能夠例如被構(gòu)造為金屬層。其能夠存在為單獨的部件、例如導(dǎo)體框架(“引線框架”)。同樣地，第二接合件2能夠被構(gòu)造為具有介電的絕緣載體20的陶瓷基體，其例如具有陶瓷或者由陶瓷組成。其他介電的材料然而同樣是可能的。在絕緣載體20之上覆層有上金屬化層21以及可選的下金屬化層22。金屬化層21和22被設(shè)置在該絕緣載體20的相反設(shè)置的側(cè)之上并且材料配合地與其相連接。作為用于上金屬化層21的材料以及只要存在則作為用于下金屬化層22的材料，合適的是良好導(dǎo)電的金屬，例如銅或者銅合金、鋁或者鋁合金、但是也能夠是其他任意金屬或者合金。只要絕緣載體20具有陶瓷或者由陶瓷組成，那么陶瓷能夠涉及氧化鋁(Al₂O₃)、或者氮化鋁(AlN)或者氧化鋅(ZrO₂)，或者涉及混合陶瓷，其除了所提及的陶瓷材料的至少一種之外還具有至少一種另外的與上述不同的陶瓷材料。例如，電路載體2能夠被構(gòu)造為DCB基體(直接銅鍵合)、DAB基體(直接鋁鍵合)、AMB基體(活性金屬焊接)或者IMS基體(絕緣金屬基體)。上金屬化層21以及可能存在的下金屬化層22能夠彼此獨立地分別具有0.05mm至2.5mm的厚度。絕緣載體20的厚度能夠例如在0.1mm至2mm的范圍內(nèi)。比所給出的厚度更大的或者更小的尺寸然而同樣也是可能的。

為了實現(xiàn)足夠的第二按壓壓強p2的構(gòu)建，第二逆止件72能夠得以設(shè)置，其在按壓期間被施加在第二接合件2的與第一接合件1相反的側(cè)之上。

在燒結(jié)之后，放置工具70和第二逆止件72能夠從包含第一接合件1、第二接合件2和燒結(jié)層51'的燒結(jié)組合移除，這一點在圖8中加以示出。

圖9再一次示出了設(shè)置有調(diào)整銷31的載體框架3的立體圖示，圖10示出了依據(jù)圖9的載體框架在將粉末載體4安裝至載體框架3之后并且在將粉末層5覆層在粉末載體4上之后的立體圖示。

為了簡化處理，盒體8能夠得以使用，該盒體能夠容納兩個或者更多個載體框架3，在該些載體框架處分別如前所述安裝有設(shè)置有粉末層5的粉末載體4。為了針對前述方法提供載體框架3，在該載體框架處安裝有如參照圖2所闡述的設(shè)置有粉末層5的粉末載體4，位于盒體8之中的載體框架3中的一個和安裝于其上的粉末載體4以及位于該粉末載體4之上的粉末層5一起從該盒體中取出。圖11示出了此類裝備的盒體8在取出載體框架3中的一個的一個示例，在該示例中位于盒體8之中的載體框架3與所屬的粉末載體4以及位于其上的粉末層5一起在箭頭的方向上從盒體8中取出，這一點例如借助于示例性地示出的自動的輸送裝置10例如夾子或者其他合適的自動的輸送裝置來實現(xiàn)。

從盒體8中取出的載體框架3能夠然后與粉末載體4以及位于其上的粉末層5一起被帶至一個位置，在該位置處第一接合件1相對于粉末層5被按壓。該位置相應(yīng)于圖3至圖5中示出的位置。為此，從盒體8中取出的載體框架3如在圖12中所示出的那樣然后與所屬的粉末載體4以及位于其上的粉末層5一起被置位在可選的輸送段9之上并且借助于其帶至上述位置(圖12通過實線箭頭示出)，在該位置然后第一接合件1相對于粉末層5得以按壓。

借助于圖13A至圖13H現(xiàn)在再次概略地示出所闡述的方法。

圖13A示出了多個位于盒體8(盒體本身僅僅通過其附圖標(biāo)記加以示出，這樣的盒體8的一個示例在圖11中示出)中的載體框架3，在載體框架處分別安裝有設(shè)置有粉末層5的粉末載體4。借助于自動的輸送裝置10載體框架3中的一個和所屬的粉末載體4以及位于其上的粉末層一起從盒體8中取出，置位于輸送段之上(未示出，這樣的輸送段9的一個示例在圖12中示出)并且借助于輸送段帶至一個位置，在該位置然后第一接合件1相對于位于粉末載體4之上的粉末層5按壓。圖13B示出了在該位置的載體框架3。第一接合件1在圖13B中示出，通過自動裝配設(shè)備的放置工具70來固定，而且與粉末層5隔開。

在位于粉末載體4之上的粉末層5上然后如在圖13B中借助于箭頭所示出的那樣并且在圖13C中示出的結(jié)果那樣，第一接合件1被設(shè)置并且借助于第一按壓壓強p1相對于粉末層5和粉末載體4按壓，這將通過放置工具70來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)足夠高的第一按壓壓強p1的構(gòu)建，第一逆止件71能夠得以使用，如其參照圖3至圖5所闡述的那樣。在圖13B和圖13C之中，這樣的第一逆止件71未示出，但是依然存在。第一按壓壓強p1能夠例如比0.1MPa更大地加以選擇，和/或比20Mpa更小地加以選擇。

在設(shè)置粉末層5之前和/或之后，第一接合件1能夠加熱至一個溫度，該溫度處于室溫之上，例如高于50℃，以便將粉末層區(qū)段51準(zhǔn)確地粘附至第一接合件1。該次加熱能夠例如借助于放置工具70的加熱裝置701(參見圖3和圖4)來實現(xiàn)。

具有與之粘附的粉末層區(qū)段51的第一接合件1能夠現(xiàn)在通過放置工具70或者以其他方式從載體框架3和粉末載體4取下(圖13D)并且如此地設(shè)置在第二接合件2上(圖13E和圖13F)，從而使得粉末層區(qū)段51處于第一接合件1和第二接合件2之間并且穿過第一接合件1直至第二接合件2地延伸。

為了防止粘附至第一接合件1的粉末層區(qū)段51已經(jīng)開始顯著地?zé)Y(jié)，在第一接合件1與粘附至其上的粉末層區(qū)段51設(shè)置在第二接合件2上之前，第一接合件1能夠從將第一接合件1設(shè)置在具有粉末層5的粉末載體4上(圖4和圖13C)直至將第一接合件1和粘附至其上的粉末層區(qū)段51設(shè)置在第二接合件2上保持在一個溫度上，該溫度如此小，以致于位于粉末層區(qū)段51處的金屬粉末不會或者不會明顯開始燒結(jié)，例如該溫度在少于100℃的范圍之中。

依據(jù)在圖13E和圖13F所示的借助于非寫實的火焰，在第二接合件2之下所示出的選項下第二接合件2在設(shè)置在第一接合件1和粘附至其上的粉末層區(qū)段51上之前能夠預(yù)加熱，例如加熱至至少100℃，從而使得在設(shè)置在第一接合件1上之后的燒結(jié)工藝包括粘附至粉末層區(qū)段51至第二接合件2上地幾乎沒有延時地進(jìn)行，由此顯著地減少該工藝時間?？蛇x地，第二接合件2在預(yù)加熱至一個溫度時也被加熱，該溫度小于400℃，以便使得第一接合件1的熱負(fù)擔(dān)在其設(shè)置之后保持為較小。第二接合件2的加熱能夠例如借助于第二逆止件72的加熱裝置721來實現(xiàn)(圖6和圖7)。在圖13E和圖13F中此類的第二逆止件72并未示出但是依然存在。

在將第一接合件1和粘附至其上的粉末層區(qū)段51設(shè)置在第二接合件2上之后，放置工具70能夠可選地加熱，以便加速燒結(jié)位于粉末層區(qū)段51之中的金屬粉末。為了加熱放置工具70，該放置工具能夠具有集成的電阻加熱裝置701，如其已經(jīng)闡述的那樣。

此外如在圖13G和相對應(yīng)的圖7中所述的那樣，為了燒結(jié)而將超聲波信號US饋入粉末層區(qū)段51之中。為此，超聲波發(fā)生器702、例如壓電的超聲波發(fā)生器得以使用，例如集成在放置工具70之中。所饋入的超聲波信號US影響能量輸送以及在粉末層區(qū)段51中含有的金屬粉末的密度，這將造成滲透性程度的降低，由此既能夠縮短燒結(jié)持續(xù)時間也能夠提高所制造的燒結(jié)連接的質(zhì)量。

粉末層區(qū)段51的燒結(jié)能夠在任何情況下在燒結(jié)工藝中實現(xiàn)，在該燒結(jié)工藝中在預(yù)先給定的燒結(jié)持續(xù)時間期間不間斷地實現(xiàn)預(yù)設(shè)方式，從而使得粉末層區(qū)段51被設(shè)置在第一接合件1和第二接合件2之間并且穿過第一接合件1延伸至第二接合件2，進(jìn)而使得第一接合件1和第二接合件2借助于按壓壓強p2在最小按壓壓強(例如0.1MPa)相對彼此地按壓，使得粉末層區(qū)段51保持在一個溫度范圍內(nèi)，該溫度范圍在最小溫度之上，并且將超聲波信號US耦入粉末層區(qū)段51。

圖13H和相對應(yīng)的圖8示出了經(jīng)制造好的組合，在該組合中第一接合件1和第二接合件2通過經(jīng)燒結(jié)的粉末層區(qū)段51固定地并且材料配合地以及可選地也能夠?qū)щ姷叵嗷ミB接。

本發(fā)明實現(xiàn)了在生產(chǎn)和排除潛在的來源自手動操作的錯誤源的性能的提高。為此能夠(例如芯片鍵合器)借助于自動的粉末載體供給裝置(其具有例如輸送機10和/或輸送段9)來設(shè)置自動裝配設(shè)備，借助于該自動裝配設(shè)備來輸送處于其上為粉末層5的粉末載體4(并且為此例如從盒體8中取出)。在輸送了設(shè)置有粉末層5的粉末載體4之后，第一接合件1借助于放置工具70設(shè)置在粉末層5之上，抵接該粉末層并且抵接粉末載體4地壓入，從而使得粉末層5的一個區(qū)段51保持在第一接合件1處并且與第一接合件1一起從粉末載體4取下并且能夠繼續(xù)得以處理。