DE102012221990A1 - Connecting means for connecting at least two components using a sintering process - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsmittel (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses, aufweisend eine inerte Trägerstruktur (12) und ein Sintergrundmaterial (14), wobei die Trägerstruktur (12) eine Trägerschicht (13) ausbildet, und wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht (13) eine Schicht (16, 18) des Sintergrundmaterials (14) angeordnet ist. Das vorbeschriebene Verbindungsmittel (10) erlaubt es, einen besonders reproduzierbaren Sinterprozess zu ermöglichen, bei dem ferner eine Schädigung der zu fügenden Komponenten reduziert beziehungsweise vollständig verhindert wird. Dabei kann der Sinterprozess weiterhin besonders kostengünstig durchführbar sein und zu besonders stabilen Verbindungen führen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels (10), ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten, sowie die Verwendung eines Verbindungsmittels (10).The present invention relates to a connecting means (10) for connecting at least two components using a sintering process, having an inert support structure (12) and a background material (14), the support structure (12) forming a support layer (13) and wherein on a layer (16, 18) of the background material (14) is arranged on two opposite sides of the carrier layer (13). The connecting means (10) described above makes it possible to enable a particularly reproducible sintering process in which damage to the components to be joined is also reduced or completely prevented. The sintering process can still be carried out particularly inexpensively and lead to particularly stable connections. The present invention also relates to a method for producing a connecting means (10), a method for connecting at least two components, and the use of a connecting means (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsmittel zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verbindungsmittels sowie ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten.The present invention relates to a connection means for connecting at least two components using a sintering process. The present invention further relates to a method for producing such a connection means and to a method for connecting at least two components.
Stand der TechnikState of the art
Leistungselektronik wird in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Gerade in elektrischen oder elektronischen Geräten, in welchen große Ströme fließen, ist der Einsatz von Leistungselektronik unumgänglich. Die in der Leistungselektronik notwendigen Stromstärken führen zu einer Eigenerwärmung der enthaltenen elektrischen oder elektronischen Komponenten. Zusätzlich können die Komponenten der Leistungselektronik an Orten eingesetzt sein, die ständig einer erhöhten Temperatur ausgesetzt sind. Als Beispiele sind Steuergeräte im Automobilbereich zu nennen, die unmittelbar im Motorraum oder im Getrieberaum angeordnet sind. Dabei ist das Steuergerät außerdem einem ständigen Temperaturwechsel ausgesetzt, wodurch die enthaltenen elektrischen und/oder elektronischen Komponenten thermisch stark belastet werden. Im Allgemeinen sind Temperaturwechsel in einem Bereich bis zu einer Temperatur von 200 Grad Celsius üblich. Es werden jedoch zunehmend auch darüber hinaus gehende Einsatztemperaturen gefordert. Dadurch werden insgesamt erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Funktionssicherheit von elektrischen oder elektronischen Geräten mit Leistungselektronik gestellt.Power electronics are used in many areas of technology. Especially in electrical or electronic devices in which large currents flow, the use of power electronics is unavoidable. The currents required in the power electronics lead to a self-heating of the electrical or electronic components contained. In addition, the components of the power electronics can be used in places that are constantly exposed to an elevated temperature. Examples include control devices in the automotive sector, which are arranged directly in the engine compartment or in the gear compartment. In this case, the control unit is also exposed to a constant temperature change, whereby the electrical and / or electronic components contained are subjected to high thermal loads. In general, temperature changes in a range up to a temperature of 200 degrees Celsius are common. However, more and more operating temperatures are increasingly required. As a result, overall increased demands are placed on the reliability and reliability of electrical or electronic devices with power electronics.
Üblicherweise erfolgt eine Anbindung von elektrischen oder elektronischen Komponenten – beispielsweise auf ein Trägersubstrat – durch eine Verbindungsschicht. Als eine derartige Verbindungsschicht sind Lotverbindungen bekannt, beispielsweise bleifreie Lotverbindungen aus Zinn-Silber oder Zinn-Silber-Kupfer. Bei höheren Einsatztemperaturen sind bleihaltige Lotverbindungen einsetzbar. Bleihaltige Lotverbindungen sind jedoch durch gesetzliche Bestimmungen aus Gründen des Umweltschutzes hinsichtlich ihrer zulässigen technischen Anwendungen stark beschränkt. Alternativ bieten sich für den Einsatz bei erhöhten beziehungsweise hohen Temperaturen, insbesondere über 200 Grad Celsius, bleifreie Hartlote an. Bleifreie Hartlote weisen in der Regel einen höheren Schmelzpunkt als 200°C auf. Problematisch daran ist, dass bei der Verwendung von Hartlot zur Ausbildung einer Verbindungsschicht nur wenige elektrische oder elektronische Komponenten als Fügepartner in Frage kommen, die den hohen Temperaturen beim Schmelzen der Hartlote standhalten können.Usually, a connection of electrical or electronic components - for example, to a carrier substrate - by a connecting layer. As such a bonding layer solder joints are known, for example, lead-free solder joints of tin-silver or tin-silver-copper. At higher operating temperatures, lead-containing soldered joints can be used. However, lead-containing solder joints are severely limited by legal regulations for reasons of environmental protection in terms of their permissible technical applications. Alternatively, lead-free brazing alloys are available for use at elevated or high temperatures, in particular above 200 degrees Celsius. Lead-free brazing alloys generally have a higher melting point than 200 ° C. The problem with this is that with the use of brazing material to form a bonding layer only a few electrical or electronic components come as joining partners in question, which can withstand the high temperatures during melting of the brazing alloys.
Aus dem Dokument
Die Dokumente
Eingesetzt werden auch Sinterverbindungen, die bereits bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können und die dennoch für einen Betrieb bei erhöhten Temperaturen geeignet sind.Also used are sintered connections, which can be processed at low temperatures and yet are suitable for operation at elevated temperatures.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbindungsmittel zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses, aufweisend eine inerte Trägerstruktur und ein Sintergrundmaterial, wobei die Trägerstruktur eine Trägerschicht ausbildet, und wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht eine Schicht des Sintergrundmaterials angeordnet ist. The subject of the present invention is a connecting means for joining at least two components using a sintering process, comprising an inert support structure and a backing material, wherein the support structure forms a carrier layer, and wherein on two opposite sides of the carrier layer a layer of the background material is arranged.
Ein Verbindungsmittel kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element sein, welches zwischen zwei zu verbindenden Komponenten anordbar ist und dabei dazu dient, die Komponenten unter Verwendung eines Sinterprozesses miteinander zu verbinden.In the context of the present invention, a connection means may in particular be an element which can be arranged between two components to be connected and thereby serves to connect the components to one another using a sintering process.
Ein Sinterprozess im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei in an sich bekannter Weise insbesondere ein Verfahren sein, bei welchem beispielsweise keramische oder metallische Substanzen auf eine Temperatur erhitzt werden, die unter deren Schmelzpunkt liegt. Dabei wird bei einer derartigen erhöhten Temperatur und insbesondere unter erhöhtem Druck ein Fügeprozess zweier Komponenten realisiert. Somit werden bei einem Sinterprozess insbesondere feste Stoffe durch Erwärmung und durch Einwirkung von Druck miteinander verbunden. Dabei kann der Sintervorgang insbesondere als ein Urformverfahren bezeichnet werden, wobei die Stoffe thermisch zusammengebacken werden.A sintering process in the sense of the present invention can be in a manner known per se, in particular a process in which, for example, ceramic or metallic substances be heated to a temperature below their melting point. In this case, a joining process of two components is realized at such an elevated temperature and in particular under elevated pressure. Thus, in a sintering process in particular solid substances are connected by heating and by the action of pressure. In this case, the sintering process can be referred to in particular as a primary molding process, wherein the materials are thermally baked together.
Unter einer inerten Trägerstruktur kann ferner im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Struktur verstanden werden, die grundsätzlich auf jede geeignete Weise geformt sein kann und insbesondere als Grundstruktur beziehungsweise als Basis zum Aufbringen eines Sintergrundmaterials dienen kann. Dabei ist ein Sintergrundmaterial insbesondere ein solches Material, welches beispielsweise aus einem keramischen oder metallischen Werkstoff ausgebildet sein kann und insbesondere bei hohen Temperaturen und unter Anwendung von Druck ein Fügen zweier Komponenten durch einen Sinterprozess ermöglichen kann. Dabei ist die Trägerstruktur inert, was insbesondere bedeutet, dass die Trägerstruktur unter den bei einem Sinterprozess herrschenden Bedingungen nicht mit dem Sintergrundmaterial oder anderen in direkter Umgebung der Trägerstruktur vorliegenden Substanzen reagiert. Vielmehr bleibt die Trägerstruktur beziehungsweise das Material der Trägerstruktur während eines Sinterprozesses unverändert.In the context of the present invention, an inert support structure can also be understood to mean, in particular, a structure which basically can be shaped in any suitable manner and in particular can serve as a basic structure or as a base for applying a background material. In this case, a background material is in particular such a material, which may be formed, for example, from a ceramic or metallic material and, in particular at high temperatures and under application of pressure, can enable joining of two components by means of a sintering process. In this case, the support structure is inert, which means in particular that the support structure does not react with the background material or other substances present in the immediate vicinity of the support structure under the conditions prevailing in a sintering process. Rather, the support structure or the material of the support structure remains unchanged during a sintering process.
Dabei ist die Trägerstruktur als eine Trägerschicht ausgebildet, wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht eine Schicht des Sintergrundmaterials angeordnet ist. Somit bildet die Trägerstruktur eine Grundschicht beziehungsweise Grundlage aus, die an zwei gegenüberliegenden Seiten oder auch an mehr Seiten beziehungsweise Oberflächen mit einer oder mehr Schichten beziehungsweise Lagen mit dem Sintergrundmaterial versehen ist. Das Verbindungsmittel weist somit ein Sintergrundmaterial und eine in dem Grundmaterial eingebettet Trägerstruktur auf. Letzteres kann insbesondere bedeuten, dass das Sintergrundmaterial in Abhängigkeit der Ausgestaltung der Trägerstruktur nicht ausschließlich in den entsprechenden Schichten des Sintergrundmaterials vorliegen braucht, sondern gegebenenfalls auch eine Schicht innerhalb der Ebene der Trägerstruktur vorgesehen sein kann, um die Trägerstruktur so vollständig zu umhüllen beziehungsweise einzubettenIn this case, the carrier structure is formed as a carrier layer, wherein a layer of the background material is arranged on two opposite sides of the carrier layer. Thus, the support structure forms a base layer or base, which is provided on two opposite sides or on more sides or surfaces with one or more layers or layers with the background material. The connecting means thus has a background material and a carrier structure embedded in the base material. The latter may in particular mean that the background material does not need to be present exclusively in the corresponding layers of the background material depending on the design of the support structure, but optionally also a layer may be provided within the plane of the support structure in order to envelop or embed the support structure so completely
Das vorbeschriebene Verbindungsmittel erlaubt es, einen besonders reproduzierbaren Sinterprozess zu ermöglichen, bei dem ferner eine Schädigung der zu fügenden Komponenten reduziert beziehungsweise vollständig verhindert wird. Dabei kann der Sinterprozess weiterhin besonders kostengünstig durchführbar sein und zu besonders stabilen Verbindungen führen.The above-described connecting means makes it possible to enable a particularly reproducible sintering process, in which further damage to the components to be joined is reduced or completely prevented. In this case, the sintering process can continue to be particularly cost-effective and lead to particularly stable connections.
Zunächst kann dadurch, dass die Trägerstruktur aus einem inerten Material ausgebildet ist, das Material beziehungsweise die Trägerstruktur nach einem Sinterprozess zwischen den gefügten Komponenten und damit in der Sinterschicht verbleiben. Dadurch kann durch eine geeignete Auswahl des Materials der Trägerstruktur eine besonders stabile Haftung der Komponenten aneinander realisiert werden. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Trägerstruktur insbesondere die mechanischen Eigenschaften und dabei vorzugsweise die Stabilität der Sinterschicht vorteilhaft beeinflussen kann. Dabei kann die Trägerstruktur beispielsweise eine verbesserte Stabilität eines noch nicht gesinterten Grünkörpers verbessern.First, the fact that the support structure is formed of an inert material, the material or the support structure after a sintering process between the joined components and thus remain in the sintered layer. As a result, by a suitable selection of the material of the carrier structure, a particularly stable adhesion of the components to one another can be realized. This can be realized in that the support structure can in particular advantageously influence the mechanical properties and preferably the stability of the sintered layer. In this case, the support structure can improve, for example, an improved stability of a not yet sintered green body.
Dabei beeinflusst die Trägerstruktur beziehungsweise das Material der Trägerstruktur den Sinterprozess als solches jedoch nicht negativ, da aufgrund der Inertheit eine Wechselwirkung mit dem Sintergrundmaterial nicht stattfindet. Somit kann auf bekannte Verfahrensparameter bezüglich eines Sinterprozesses zurückgegriffen werden, wodurch der Sinterprozess an sich leicht steuerbar ist und auf einfache Weise zu besonders reproduzierbaren Ergebnissen führen kann. Ferner ist eine besonders freie Wahl des Sintergrundmaterials möglich, da eine Wechselwirkung mit dem Trägermaterial aufgrund dessen Inertheit nicht zu befürchten ist.However, the support structure or the material of the support structure does not adversely affect the sintering process as such, since an interaction with the background material does not take place due to the inertness. It is thus possible to resort to known process parameters with regard to a sintering process, as a result of which the sintering process itself is easily controllable and can easily lead to particularly reproducible results. Furthermore, a particularly free choice of the background material is possible, since an interaction with the carrier material due to its inertness is not to be feared.
Darüber hinaus lässt sich durch das Erzeugen eines derartigen Verbindungsmittels ein auch als Preform zu bezeichnendes vorkonfektioniertes Element erzeugen, welches ein Sintergrundmaterial und eine in dem Grundmaterial eingebettet Trägerstruktur aufweist. Somit kann ein derartiges Verbindungsmittel unabhängig von einem Sinterprozess hergestellt und gelagert werden. Das Erzeugen des Verbindungsmittels ist damit unabhängig von dem Herstellen beziehungsweise Bearbeiten der zu verbindenden Elemente möglich. Dadurch können Verbindungsmittel in geeigneter Anzahl gelagert werden und einer Verwendung, also einem Sinterprozess, unmittelbar dann zugeführt werden, wenn ein Sinterprozess durchgeführt wird. Dadurch ist ein Sinterprozess unter Verwendung der vorbeschriebenen Verbindungsmittel besonders frei und dynamisch anwendbar. Darüber hinaus kann ein Schädigen der zu fügenden Komponenten etwa durch ein Aufbringen von Sintergrundmaterial auf die Letzteren verhindert werden. Vielmehr kann das Verbindungsmittel bei einem Sinterprozess zwischen die zufügenden Komponenten in einfacher Weise angeordnet und ein Fügen durch das Einstellen geeigneter Sinterparameter, insbesondere einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck, realisiert werden.In addition, by producing such a connection means, it is possible to produce a prefabricated element, which can also be referred to as a preform, which has a backing material and a carrier structure embedded in the base material. Thus, such a connecting means can be manufactured and stored independently of a sintering process. The generation of the connecting means is thus possible independently of the manufacture or processing of the elements to be connected. As a result, connecting means can be stored in a suitable number and fed to a use, ie a sintering process, immediately when a sintering process is carried out. As a result, a sintering process using the above-described connecting means is particularly free and dynamically applicable. In addition, damage to the components to be joined can be prevented, for example, by applying background material to the latter. Rather, the connecting means can be arranged in a sintering process between the Zufügenden components in a simple manner and joining by the Setting suitable sintering parameters, in particular an elevated temperature and an increased pressure can be realized.
Die Trägerstruktur kann dabei insbesondere als Trägermaterial für das Sintergrundmaterial dienen, so dass das Verbindungsmittel besonders einfach und definiert herstellbar sein kann. Dadurch ist ferner das Aufbringen des Sintergrundmaterials, welches in herkömmlicher Weise meist als Pulver beziehungsweise als feinkörnige Masse oder in pastöser Form vorliegt, besonders einfach und definiert auch in kleinsten Dimensionen möglich. Im Sinne der vorliegende Erfindung kann das Verbindungsmittel dabei vollständig fest sein, oder insbesondere das Sintergrundmaterial kann auf dem Trägermaterial eine pastöse Konsistenz aufweisen, so dass ein Prozessieren des Verbindungsmittels und damit des Sintergrundmaterial besonders einfach, kostengünstig und definiert möglich sein kann.The carrier structure can serve in particular as a carrier material for the background material, so that the connecting means can be produced in a particularly simple and defined manner. As a result, the application of the background material, which is usually present in a conventional manner as a powder or as a fine-grained mass or in pasty form, is particularly simple and defined even in the smallest dimensions. In the context of the present invention, the connecting means can be completely solid, or in particular the background material can have a pasty consistency on the carrier material, so that processing the connecting means and thus the background material can be particularly simple, inexpensive and defined possible.
Weiterhin kann durch das Vorsehen des Trägermaterials beziehungsweise des Materials der Trägerstruktur in dem Sintergrundmaterial der thermische Ausdehnungskoeffizient der Sinterschicht signifikant verringert werden. Dadurch kann eine besonders stabile Sinterschicht erzeugt werden und es können ferner besonders reproduzierbare Erzeugnisse erhalten werden. Ferner kann ein Beschädigen der zu fügenden Komponenten beziehungsweise der zu fügenden Schichten deutlich reduziert oder sogar vollständig verhindert werden.Furthermore, by providing the carrier material or the material of the carrier structure in the background material, the thermal expansion coefficient of the sintered layer can be significantly reduced. As a result, a particularly stable sintered layer can be produced and, furthermore, particularly reproducible products can be obtained. Furthermore, damage to the components to be joined or the layers to be joined can be significantly reduced or even completely prevented.
Neben einer Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann durch die Trägerstruktur ferner eine Erhöhung der Wärmequerleitung beziehungsweise der Wärmespreizung, insbesondere in lateraler Richtung, also von einer Schicht des Sintergrundmaterials durch die Trägerstruktur zu der gegenüberliegenden Schicht an Sintergrundmaterial ermöglicht werden. Dadurch kann ein besonders gleichmäßiges und schnelles Einwirkung von Temperatur auf das Sintergrundmaterial erfolgen.In addition to a reduction in the coefficient of thermal expansion, the carrier structure can also be used to increase the thermal conduction or heat spread, in particular in the lateral direction, ie from one layer of the background material through the carrier structure to the opposite layer of background material. This can be a particularly uniform and rapid action of temperature on the background material.
Schließlich kann die Trägerstruktur als Bindemittel für das Sintergrundmaterial dienen, wodurch eine besonders homogene Ausgestaltung insbesondere einer Sinterschicht, also einer Schicht nach einem Sintervorgang, erzeugt werden kann. So kann das etwa als Bindemittel dienende Trägermaterial beispielsweise eine chemische Verbindung zu dem Sintergrundmaterial ausbilden, beziehungsweise kann das Sintergrundmaterial an dem Trägermaterial adhäsiv haften. Dadurch kann zum Einen die Formstabilität des Verbunds besonders effektiv gewährleistet werden und zum Anderen das zu versinternde Material optimal zueinander in Kontakt gebracht werden.Finally, the carrier structure can serve as a binder for the background material, as a result of which a particularly homogeneous configuration, in particular of a sintered layer, that is to say of a layer after a sintering process, can be produced. Thus, for example, the carrier material serving as a binder can form, for example, a chemical compound to the backing material, or the backing material can adhere adhesively to the backing material. As a result, on the one hand, the dimensional stability of the composite can be ensured particularly effectively and, on the other hand, the material to be sintered can be optimally brought into contact with one another.
Aus dem Vorstehenden wie auch aus den nachfolgenden Weiterbildungen eines Verbindungsmittels gemäß der vorliegenden Erfindung wird ersichtlich, dass ein Sinterprozess zu besonders definierten Eigenschaften führen kann und dabei besonders kostengünstig, einfach und reproduzierbar durchführbar sein kann.From the above as well as from the subsequent developments of a connecting means according to the present invention, it is apparent that a sintering process can lead to particularly defined properties and can be carried out in a particularly cost-effective, simple and reproducible manner.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die Trägerstruktur als Fasermatte ausgestaltet sein, und kann auf wenigstens zwei gegenüberliegenden Seiten der Fasermatte eine Lage umfassend das Sintergrundmaterial vorgesehen sein. Insbesondere als Fasermatte kann eine definierte Trägerstruktur realisierbar sein, welche vorteilhaft als Grundstruktur eines Verbindungsmittels dienen kann. Im Detail kann eine Fasermatte mit einer definierten Maschenweite, mit einer definierten Dicke und mit durch die gesamte Matte homogenen Eigenschaften hergestellt werden, so dass sowohl die Eigenschaften des Verbindungsmittels als auch die Eigenschaften der Sinterschicht nach dem Sintervorgang besonders definiert einstellbar sind. Dabei ist auf die Fasermatte in besonders vorteilhafterweise ein Sintergrundmaterial aufbringbar, wobei das Sintergrundmaterial besonders stabil an der Fasermatte haften kann, um so beispielsweise eine besonders bevorzugte Lagerstabilität und Sinterverbindung erreichen zu können. Im Detail kann eine Fasermatte eine Grundschicht ausbilden, wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Grundschicht das Sintergrundmaterial auf einfache Weise aufgebracht werden kann. Dadurch kann die Fasermatte beidseitig von dem Sintergrundmaterial umgeben sein, wodurch bei einem Fügeprozess die zu fügenden Komponenten im Wesentlichen nur mit dem Sintergrundmaterial, jedoch nicht oder nur begrenzt unmittelbar mit der Trägerstruktur in Kontakt kommen. Dadurch kann ein besonders stabiles und definiertes Sinterergebnis erzeugt werden. Darüber hinaus kann die Fasermatte, alleine oder bereits mit Sintergrundmaterial versehen, in einfacher und definierter Weise in eine Mehrzahl von lagerfähigen Verbindungsmitteln in geeigneter Größe zerteilt werden.In one embodiment, the support structure may be configured as a fiber mat, and may be provided on at least two opposite sides of the fiber mat, a layer comprising the background material. In particular, as a fiber mat, a defined support structure can be realized, which can advantageously serve as a basic structure of a connecting means. In detail, a fiber mat having a defined mesh width, with a defined thickness and with homogeneous properties throughout the mat can be produced, so that both the properties of the bonding agent and the properties of the sintered layer after the sintering process can be set in a particularly defined manner. In this case, a background material can be applied to the fiber mat in a particularly advantageous manner, wherein the background material can adhere to the fiber mat in a particularly stable manner so as to be able to achieve, for example, a particularly preferred storage stability and sintered connection. In detail, a fiber mat can form a base layer, wherein on two opposite sides of the base layer, the background material can be applied in a simple manner. As a result, the fiber mat can be surrounded on both sides by the background material, whereby, during a joining process, the components to be joined essentially come into contact only with the background material but not with the support structure only to a limited extent. As a result, a particularly stable and defined sintering result can be generated. In addition, the fiber mat, alone or already provided with background material, in a simple and defined manner be divided into a plurality of storable connecting means of a suitable size.
Eine Fasermatte kann im Sinne der vorliegenden Erfindung dabei insbesondere eine Struktur sein, welche eine im Vergleich zu ihrer Breite beziehungsweise Länge geringe Höhe aufweist und damit im Wesentlichen blattartig beziehungsweise mattenartig ausgestaltet sein kann. Dabei umfasst die Fasermatte oder besteht die Fasermatte aus einem Fasermaterial, welches zur Herstellung der Matte beispielsweise gewoben werden kann. Alternativ kann etwa ein offenporig geschäumtes Material Verwendung finden oder ein als Gitter ausgestaltetes Material. Ferner kann insbesondere bei einer Fasermatte die Trägerstruktur in das Sintergrundmaterial eingebettet sein, wobei das Sintergrundmaterial in der Schicht der Trägerstruktur vorgesehen vorliegt, um diese vollständig zu umhüllen. Grundsätzlich kann unter einer Fasermatte im Sinne der vorliegenden Erfindung jegliche offenporige Struktur verstanden werden.In the context of the present invention, a fiber mat may in particular be a structure which has a height that is small in comparison to its width or length and thus may be substantially sheet-like or mat-like. In this case, the fiber mat or consists of the fiber mat of a fiber material, which can be woven, for example, to produce the mat. Alternatively, for example, an open-pored foamed material can be used or a grid designed material. Furthermore, in particular in the case of a fiber mat, the carrier structure can be embedded in the background material, the background material being provided in the layer of the carrier structure in order to completely encase it. In principle, a fiber mat in the sense of the present invention can be understood to mean any open-pored structure.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Fasermatte Aramidfasern, Glasfasern oder Kohlefasern aufweisen oder aus einem oder mehreren der vorgenannten Fasern bestehen. Die vorgenannten Fasermaterialien weisen besonders bevorzugte Eigenschaften auf, um bei einem Sintervorgang beziehungsweise bei den bei einem Sintervorgang herrschenden Bedingungen nicht zerstört zu werden beziehungsweise nicht beschädigt zu werden. Dabei sind die vorgenannten Materialien inert, so dass ein Sinterprozess durch diese Materialien nicht negativ beeinflusst wird. Ferner ist durch die vorgenannten Materialien eine besonders gute Verteilung der Wärme innerhalb des Verbindungsmittels während eines Sinterprozesses möglich, so dass insbesondere in dieser Ausgestaltung ein besonders schneller und kostengünstiger Sinterprozess möglich sein kann.In a further embodiment, the fiber mat may comprise aramid fibers, glass fibers or carbon fibers or consist of one or more of the aforementioned fibers. The aforementioned fiber materials have particularly preferred properties in order not to be destroyed during a sintering process or in the conditions prevailing in a sintering process or not to be damaged. In this case, the aforementioned materials are inert, so that a sintering process is not adversely affected by these materials. Furthermore, a particularly good distribution of heat within the bonding agent during a sintering process is possible by the aforementioned materials, so that in particular in this embodiment, a particularly fast and cost-effective sintering process may be possible.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Fasermatte eine Maschenweite in einem Bereich von größer oder gleich 0,15mm bis kleiner oder gleich 1,5mm aufweisen. Eine derartige Maschenweite kann in besonders vorteilhafter Weise dazu geeignet sein, als Grundstruktur für das Sintergrundmaterial zu dienen und dabei insbesondere als Füllstoff des Sinterprozessmaterials dienen zu können. Im Detail kann diese Ausgestaltung durch den Sinterprozess ein besonders stabiles Verbinden der beiden Komponenten miteinander realisieren, da ausreichend durch die Fasermatte gehendes Volumen einer Wechselwirkung des Sintergrundmaterials mit den zu fügenden Komponenten ermöglicht werden kann. Darüber hinaus ist jedoch ausreichend Material der Trägerstruktur vorhanden, um die vorgenannten Vorteile, wie beispielsweise eine positive mechanische Beeinflussung der Sinterschicht oder thermische Eigenschaften während des Sintervorgangs zu ermöglichen. Eine Maschenweite kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere die Größe beziehungsweise den Durchmesser von in einer Fasermatte vorhanden Poren sein.In a further embodiment, the fiber mat can have a mesh size in a range of greater than or equal to 0.15 mm to less than or equal to 1.5 mm. Such a mesh size may be suitable in a particularly advantageous manner to serve as a basic structure for the background material and in particular to serve as a filler of the sintering process material. In detail, this embodiment can realize a particularly stable connection of the two components to one another by means of the sintering process, since sufficient volume of the sintering material passing through the fiber mat can be made possible with the components to be joined. In addition, however, sufficient material of the support structure is present to allow the aforementioned advantages, such as a positive mechanical influence of the sintered layer or thermal properties during the sintering process. In the context of the present invention, a mesh size may in particular be the size or the diameter of pores present in a fiber mat.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Fasermatte eine Dicke in einem Bereich von größer oder gleich 5µm bis kleiner oder gleich 500µm aufweisen. In diese Ausgestaltung kann die Fasermatte eine ausreichende Dicke aufweisen, um die vorbeschriebenen Vorteile in einer besonders vorteilhaften Weise und besonders effektiv zur Verfügung zu stellen. Dabei ist die Fasermatte jedoch ausreichend dünn, um eine besonders dünne und stabile Sinterschicht erzeugen zu können. Dadurch ist das vorbeschriebene Verbindungsmittel auch bei besonders kleinen beziehungsweise kompakten Bauteilen problemlos anwendbar, was eine besonders breite Anwendungsvielfalt des vorbeschriebenen Verbindungsmittels insbesondere in dieser Ausgestaltung ermöglichen kann.In a further embodiment, the fiber mat may have a thickness in a range of greater than or equal to 5 microns to less than or equal to 500 microns. In this embodiment, the fiber mat may have a sufficient thickness to provide the advantages described above in a particularly advantageous manner and particularly effective. However, the fiber mat is sufficiently thin to be able to produce a particularly thin and stable sintered layer. As a result, the above-described connecting means can be used without problems even in particularly small or compact components, which may allow a particularly wide variety of applications of the above-described connecting means, in particular in this embodiment.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Sintergrundmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Silber (Ag), Silberoxid (Ag2O), Silbercarbonat (Ag2CO3), Kupfer (Cu), Kupferoxid (CuO, Cu2O) oder Kombinationen umfassend eine oder mehrere der vorgenannten Substanzen, gegebenenfalls in Kombination mit organischen oder anorganischen Lösungsmitteln und/oder mit Fettsäuren. Derartige Sintergrundmaterialien lassen sich in vorteilhafter Weise in leicht und kostengünstig anwendbaren Verfahren auf die Grundstruktur beziehungsweise auf die Trägerstruktur aufbringen und bilden mit dieser ein stabiles Gebilde aus. Somit ist das Verbindungsmittel auch vor einem Sinterprozess besonders stabil und kann auch nach einem Lagern beziehungsweise nach einem Transportprozess noch definierte Eigenschaften aufweisen und besonders stabile und reproduzierbare Sinterverbindungen erzeugen. Darüber hinaus lassen sich mit derartigen Sintermaterialien problemlose und reproduzierbare Sinterprozesse durchführen, wobei die Verfahrensparameter für den Fachmann ausgereift und somit problemlos anwendbar sind. Ferner können auch bei hohen Temperaturen beziehungsweise großen Temperaturschwankungen sehr stabile Sinterschichten erzeugbar sein. Dabei können die Lösungsmittel ferner dazu dienen, die Konsistenz des Sintergrünkörpers einzustellen. Die Fettsäuren können insbesondere als Inhibitoren auf der Oberfläche der Silbergrundmaterial-Partikel wie etwa Metallpartikel dienen und dabei ein vorzeitiges versintern während des Prozesses oder des Lagerns verhindern. Ferner können auch chemische Reaktionen zwischen den Lösungsmitteln oder Fettsäuren und Silberoxid, Silbercarbonat und Kupferoxid auftreten.In a further embodiment, the background material may be selected from the group comprising silver (Ag), silver oxide (Ag 2 O), silver carbonate (Ag 2 CO 3 ), copper (Cu), copper oxide (CuO, Cu 2 O) or combinations comprising one or more of the aforementioned substances, optionally in combination with organic or inorganic solvents and / or with fatty acids. Such background materials can be advantageously applied to the basic structure or to the carrier structure in processes that can be applied easily and inexpensively, and form a stable structure with them. Thus, the connecting means is particularly stable even before a sintering process and can still have defined properties after storage or after a transport process and produce particularly stable and reproducible sintered connections. In addition, can be carried out with such sintered materials smooth and reproducible sintering processes, the process parameters are mature for the expert and thus easily applicable. Furthermore, very stable sintered layers can be produced even at high temperatures or large temperature fluctuations. The solvents may also serve to adjust the consistency of the sintered green body. In particular, the fatty acids may serve as inhibitors on the surface of the silver base particles, such as metal particles, thereby preventing premature sintering during the process or storage. Furthermore, chemical reactions between the solvents or fatty acids and silver oxide, silver carbonate and copper oxide may also occur.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verbindungsmittels wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels, dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten, der erfindungsgemäßen Verwendung, der Figur sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the connecting means according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention for producing a connecting means, the method according to the invention for connecting at least two components, the use according to the invention, the figure and the description of the figures.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verbindungsmittels, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst:
- a) Bereitstellen einer Trägerstruktur; und
- b) Aufbringen eines Sintergrundmaterials auf wenigstens zwei gegenüberliegende Seiten der Trägerstruktur.
- a) providing a support structure; and
- b) applying a background material to at least two opposite sides of the support structure.
Durch das vorbeschriebene Verfahren kann ein Verbindungsmittel bereitgestellt werden, unter Verwendung dessen ein Sinterprozess zu besonders definierten Eigenschaften und zu einer besonders stabilen Verbindung führen kann und, wobei der Sinterprozess besonders kostengünstig, einfach und reproduzierbar durchführbar sein kann.By the method described above, a connection means can be provided, using which a sintering process can lead to particularly defined properties and to a particularly stable connection, and wherein the sintering process can be carried out in a particularly cost-effective, simple and reproducible manner.
Hierzu umfasst das vorbeschriebene Verfahren wenigstens die folgenden Verfahrensschritte.For this purpose, the method described above comprises at least the following method steps.
In einem ersten Verfahrensschritt a) erfolgt ein Bereitstellen einer Trägerstruktur. Die Trägerstruktur kann dabei grundsätzlich jede Trägerstruktur sein, welche geeignet ist, ein Sintergrundmaterial zu tragen. Beispielsweise kann die Trägerstruktur eine Trägerlage beziehungsweise Trägerschicht, wie etwa eine Fasermatte, sein, die nicht beschränkend ausgestaltet sein kann aus Aramidfasern, Glasfasern und/oder Kohlefasern.In a first method step a), provision is made of a carrier structure. The carrier structure can basically be any carrier structure which is suitable for carrying a background material. For example, the support structure may be a carrier layer, such as a fiber mat, which may not be limited to aramid fibers, glass fibers and / or carbon fibers.
Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt b) erfolgt ein Aufbringen eines Sintergrundmaterials auf wenigstens zwei gegenüberliegende Seiten der Trägerstruktur. Beispielsweise erfolgt das Aufbringen des Sintergrundmaterials auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht. Für den beispielhaften Fall einer Fasermatte als Trägerschicht kann diese somit eine zentrale Schicht beziehungsweise eine Grundlage ausbilden, wobei auf jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten das Sintergrundmaterial aufgebracht werden kann. Da die Fasermatte eine folienartige beziehungsweise flächige Ausgestaltung aufweisen kann, wird das Sintergrundmaterial insbesondere auf die flächigen Seiten, also auf die Oberseite und die Unterseite mit der jeweils größten Ausdehnung aufgebracht. Dabei sollte das Sintergrundmaterial derart aufgebracht werden, dass zumindest die Fügestellen, also die Stellen, die einer Verbindung dienen und mit dem zu fügenden Material in Kontakt gelangen, im Wesentlichen vollständig mit dem Sintergrundmaterial bedeckt sind.According to a further method step b), a backing material is applied to at least two opposite sides of the carrier structure. For example, the application of the background material takes place on two opposite sides of the carrier layer. For the exemplary case of a fiber mat as a carrier layer, this can thus form a central layer or a base, wherein the background material can be applied on two opposite sides. Since the fiber mat can have a film-like or planar configuration, the background material is applied in particular to the flat sides, that is to say on the upper side and the lower side with the respectively greatest extent. In this case, the background material should be applied in such a way that at least the joints, ie the locations which serve for a connection and come into contact with the material to be joined, are substantially completely covered with the background material.
Nach Beendigung des Verfahrensschritts b) ist das Verbindungsmittel im Wesentlichen fertiggestellt. Es kann nun zwischen zwei zu fügenden Komponenten angeordnet werden und die beiden Komponenten im Folgendem durch einen Sinterprozess miteinander verbunden werden.After completion of the process step b) the connecting means is substantially completed. It can now be arranged between two components to be joined and the two components are connected together in the following by a sintering process.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das Sintergrundmaterial auf die Trägerstruktur aufgebracht werden durch Bedrucken, beispielsweise durch Schablonendruck oder Siebdruck, Dispensen, Aufspachteln, Eintauchen der Trägerstruktur in das Sintergrundmaterial, Aufstempeln Besprühen oder Einwalzen. Derartige Prozesse sind bezüglich ihrer Prozessführung ausgereift, so dass das Verfahren problemlos, kostengünstig und besonders definiert durchführbar ist. Darüber hinaus können die vorgenannten Verfahren das Sintergrundmaterial in besonders stabiler Weise auf die Trägerstruktur aufbringen, so dass ein stabiles Verbindungsmittel entstehen kann.In one embodiment, the background material can be applied to the support structure by printing, for example by stencil printing or screen printing, dispensing, troweling, dipping the support structure in the background material, stamping spraying or rolling. Such processes are mature in terms of their litigation, so that the process is easily, inexpensively and particularly defined feasible. In addition, the aforementioned methods can apply the background material in a particularly stable manner to the support structure, so that a stable connection means can arise.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Verbindungsmittels wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbindungsmittel, dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten, der erfindungsgemäßen Verwendung, der Figur sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention for producing a connecting means, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the connecting means according to the invention, the method according to the invention for connecting at least two components, the use according to the invention, the figure and the description of the figures.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten, umfassend die Verfahrensschritte:
- c) Bereitstellen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verbindungsmittels;
- d) Anordnen des Verbindungsmittels zwischen wenigstens zwei zu verbindenden Komponenten derart, dass die zu verbindenden Komponenten mit dem Sintergrundmaterial in Kontakt sind; und
- e) Verbinden der Komponenten unter Ausführung eines Sinterprozesses.
- c) providing a connecting means configured as described above;
- d) arranging the connection means between at least two components to be connected such that the components to be connected are in contact with the background material; and
- e) joining the components while performing a sintering process.
Durch das vorbeschriebene Verfahren können zwei Komponenten durch einen Sinterprozess miteinander verbunden beziehungsweise gefügt und somit an einander befestigt werden, wobei der Sinterprozess zu besonders stabilen Verbindungen führen kann und ferner zu definierten Eigenschaften führen kann und dabei besonders kostengünstig, einfach und reproduzierbar durchführbar sein kann. Beispielsweise ist das Verfahren Anwendbar im Bereich von elektronischen Geräten. Konkrete exemplarische und nicht beschränkende Beispiele umfassen passive oder aktive elektrische oder elektronische Bauelemente, welche etwa verbunden werden können mit Schaltungsträgern, wie etwa Leiterplatten, anderen Trägern, keramischen Substraten, IMS-Substraten, Stanzgittern, Flexfolien. Ferner können Verbindungen von Schaltungsträgern untereinander realisierbar sein.By the method described above, two components can be connected or joined together by a sintering process and thus attached to each other, wherein the sintering process can lead to particularly stable connections and also can lead to defined properties and can be particularly cost-effective, simple and reproducible feasible. For example, the method is applicable in the field of electronic devices. Specific exemplary and non-limiting examples include passive or active electrical or electronic components that may be connected to circuit substrates such as circuit boards, other substrates, ceramic substrates, IMS substrates, punched screens, flex films. Furthermore, connections of circuit carriers can be realized with each other.
Gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren wird somit in einem Verfahrensschritt c) zunächst ein Verbindungsmittel bereitgestellt. Das Verbindungsmittel kann dabei insbesondere ein solches sein, wie es vorstehend beschrieben ist. Somit kann das Verbindungsmittel beispielsweise als Grundschicht eine Fasermatte aufweisen, die beidseitig mit einer Schicht aus Sintergrundmaterial versehen ist.According to the method described above, a connecting means is thus initially provided in a method step c). The connecting means may in particular be such as described above. Thus, the connecting means may comprise, for example as a base layer, a fiber mat which is provided on both sides with a layer of background material.
In einem weiteren Verfahrensschritt d) erfolgt gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren ein Anordnen des Verbindungsmittels zwischen wenigstens zwei, beispielsweise genau zwei, zu verbindenden Komponenten derart, dass die zu verbindenden Komponenten mit dem Sintergrundmaterial in Kontakt sind. Somit wird das Verbindungsmittel derart angeordnet, dass das Sintergrundmaterial in einem Sinterprozess mit den zu fügenden Komponenten eine stabile Verbindung ausbilden kann. Dies erfolgt gemäß dem Verfahren im Wesentlichen durch einen Sinterprozess gemäß Verfahrensschritt e). Hierzu erfolgt ein Einwirken von erhöhter Temperatur, beispielsweise und nicht beschränkend in einem Bereich von größer oder gleich 150°C bis kleiner oder gleich 250°C, gegebenenfalls unter Einwirkung eines erhöhten Drucks, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 0,1MPa bis kleiner oder gleich 20MPa, auf das Sintergrundmaterial und gegebenenfalls auf die zu fügenden Komponenten beziehungsweise deren Fügeflächen.In a further method step d), according to the method described above, the connecting means is arranged between at least two, for example exactly two, components to be connected in such a way that the components to be connected are in contact with the background material. Thus, the connection means is arranged such that the background material can form a stable connection with the components to be joined in a sintering process. This is done according to the method essentially by a sintering process according to method step e). For this purpose, an action of elevated temperature, for example and without limitation in a range of greater than or equal to 150 ° C to less than or equal to 250 ° C, optionally under the action of an increased pressure, for example in a range of greater than or equal to 0.1MPa to less or equal to 20 MPa, on the background material and optionally on the components to be joined or their joining surfaces.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbindungsmittel, dem Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels, der erfindungsgemäßen Verwendung, der Figur sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention for connecting at least two components, reference is explicitly made here to the explanations in connection with the connecting means according to the invention, the method for producing a connecting means, the use according to the invention, the figure and the description of the figures.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Verwendung eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verbindungsmittels oder eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verfahrens zum Verbinden wenigstens zweier Komponenten durch einen Sinterprozess.The subject matter of the present invention is furthermore a use of a connecting means designed as described above or of a method configured as described above for connecting at least two components by means of a sintering process.
Unter Verwendung eines vorbeschriebenen Verbindungsmittels zum Verbinden wenigstens zweier Komponenten durch einen Sinterprozess kann ein Sinterprozess zu besonders definierten Eigenschaften führen und dabei besonders kostengünstig, einfach und reproduzierbar durchführbar sein. Darüber hinaus können besonders stabile Verbindungen erzeugbar sein.Using a connecting means described above for connecting at least two components by means of a sintering process, a sintering process can lead to particularly defined properties and can be carried out in a particularly cost-effective, simple and reproducible manner. In addition, particularly stable compounds can be produced.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbindungsmittel, dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels, dem Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Komponenten, der Figur sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the use according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the connection means according to the invention, the method according to the invention for producing a connection means, the method for connecting at least two components, the figure and the description of the figures.
Beispiele und Zeichnungen Examples and drawings
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigtFurther advantages and advantageous embodiments of the objects according to the invention are illustrated by the drawing and explained in the following description. It should be noted that the drawing has only descriptive character and is not intended to limit the invention in any way. It shows
In der
Das Verbindungsmittel
Es ist zu erkennen, dass durch die Wahl des Trägermaterials der Temperaturkoeffizient der Trägerschicht beziehungsweise der Sinterschicht gut an die Fügepartner anpassbar sein kann. Beispielsweise kann so bei einer exemplarischen Montage von Silizium-Chips an Schaltungsträger ein Trägermaterial aus Kohlefaser bevorzugt sein. Ferner kann durch die Wahl des Trägermaterials die Wärmeleitfähigkeit an das gewünschte Anwendungsgebiet anpassbar sein. Dabei ist ferner eine ausreichende Stabilität bis zu hohen Temperaturen erkennbar.It can be seen that the temperature coefficient of the carrier layer or the sintered layer can be easily adapted to the joining partners by the choice of the carrier material. For example, in an exemplary mounting of silicon chips to circuit carriers, a carrier material of carbon fiber may be preferred. Furthermore, by the choice of the carrier material, the thermal conductivity can be adapted to the desired field of application. In addition, sufficient stability up to high temperatures is recognizable.
Die Fasermatte weist ferner auf wenigstens zwei gegenüberliegenden Seiten eine Lage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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