DE102022110381A1

DE102022110381A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE102022110381A1
Application number: DE102022110381.1A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Kain; Reinhard Schaumburger; Klaus Höll; Aaron Hutzler
Original assignee: Schunk Carbon Technology GmbH
Current assignee: Schunk Carbon Technology GmbH
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2023-11-02
Also published as: WO2023208773A1; CN116970780A; CN220643192U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere elektronischer Bauteile oder dergleichen, mit einem Chargenträger (10) und zumindest zwei an dem Chargenträger angeordneten Bauteilgruppen, wobei die Bauteilgruppen jeweils zumindest ein erstes Bauteil und ein mit dem ersten Bauteil zu verbindendes oder verbundenes zweites Bauteil aufweisen, wobei der Chargenträger zumindest zwei Trageinheiten (11) aufweist, die jeweils eine Bauteilgruppe aufnehmen, wobei die Trageinheiten jeweils einen Träger (12) und eine Verbindungseinrichtung (13) zur Verbindung der Träger untereinander aufweisen, wobei die Verbindungseinrichtung aus zumindest einem Verbindungselement (14) gebildet ist, wobei ein Material des Verbindungselements und/oder der Träger so ausgewählt ist, dass das Verbindungselement und/oder der Träger bei einer Wärmebehandlung eine Wärmeausdehnung in zumindest einer linearen Richtung aufweist, die im Wesentlichen einer Wärmeausdehnung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils in der linearen Richtung entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere elektronischer Bauteile oder dergleichen, mit einem Chargenträger und zumindest zwei an dem Chargenträger angeordneten Bauteilgruppen, wobei die Bauteilgruppen jeweils zumindest ein erstes Bauteil und ein mit dem ersten Bauteil zu verbindendes oder verbundenes zweites Bauteil aufweisen, wobei der Chargenträger zumindest zwei Trageinheiten aufweist, die jeweils eine Bauteilgruppe aufnehmen.
Elektronikbauteile und -schaltungen werden regelmäßig aus einer Mehrzahl von Bauteilen hergestellt, wobei die Bauteile oder auch Gruppen von Bauteilen mittels Wärmebehandlung zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung gefügt werden. Insbesondere wird dann eine stoffschlüssige und elektrisch leitende Verbindung zwischen den Bauteilen mittels Löten, Sintern oder dergleichen hergestellt. Wesentlich dabei ist, dass beim Löten oder Sintern ein Verbindungsmaterial zum Einsatz kommt, welches bei der Wärmebehandlung zumindest teilweise aufgeschmolzen wird oder bei welchem durch Diffusion ein stoffschlüssiger Verbund erzeugt wird. So werden beispielsweise Leiterbahnen eines ersten Bauteils mit Kontakten eines zweiten Bauteils elektrisch leitend verbunden oder elektrisch isolierte Bereiche werden stoffschlüssig verbunden, um eine mechanisch stabile Bauteilgruppe zu erhalten. Die Wärmebehandlung kann dabei auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise durch eine lokale Erwärmung bzw. Beheizung einer Kontaktstelle oder durch eine entsprechende Erwärmung ganzer Bauteilgruppen. Im Rahmen eines derartigen Fertigungsschrittes werden die Bauteilgruppen bzw. Bauteile relativ zueinander in der gewünschten Kontaktposition gehaltert. Diese Positionierung der Bauteile erfolgt regelmäßig mit Hilfe von Chargenträgern, in die die Bauteile eingelegt werden und die eine Vielzahl von Bauteilgruppen aufnehmen können. Hierdurch wird es möglich, eine gleichzeitige oder unmittelbar aufeinanderfolgende Wärmebehandlung dieser Bauteilgruppen vorzunehmen und so eine Herstellung in großen Stückzahlen wirtschaftlich durchzuführen.
Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Wärmebehandlung ist nachteilig, dass an den zu fügenden Bauteilen große Temperaturdifferenzen in Verbindung mit unterschiedlichen Wärmedehnungen auftreten können, die dann einen Verzug der Bauteile, insbesondere bei einem Abkühlen, zur Folge haben können. So kann es bei einem Abkühlen der Bauteile bzw. der gefügten Bauteilgruppe zu beispielsweise einem Verzug bzw. einer Verwölbung infolge einer Schrumpfung kommen. Unterschiede bei Wärmedehnungen der Bauteile haben dabei einen größeren Einfluss auf einen Verzug als Temperaturdifferenzen innerhalb der Bauteile. Auch eine Erwärmung des Chargenträgers kann dazu führen, dass eine Relativpositionierung der zu fügenden Bauteile ungenau wird, so dass enge Toleranzen nur schwer eingehalten werden können. Je nach Anordnung oder Fixierung der Bauteile an dem Chargenträger kann hier ein unerwünschtes Spiel oder ein Relativversatz der Bauteile infolge der Wärmebehandlung auftreten. Darüber hinaus kann sich der gesamte Chargenträger so verformen, dass die Bauteilgruppen nicht mehr in einer gewünschten Position relativ zu einer Maschine, die beispielsweise mit einem Aktor die Bauteile an einer Verbindungsstelle zusammendrückt, angeordnet sind. Infolgedessen können an der Bauteilgruppe Kurzschlüsse oder andere Fehlfunktionen auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen vorzuschlagen, mit der bzw. dem eine präzisere Herstellung wirtschaftlich erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere elektronische Bauteile oder dergleichen, umfasst einen Chargenträger und zumindest zwei an dem Chargenträger angeordnete Bauteilgruppen, wobei die Bauteilgruppen jeweils zumindest ein erstes Bauteil und ein mit dem ersten Bauteil zu verbindendes oder verbundenes zweites Bauteil aufweisen, wobei der Chargenträger zumindest zwei Trageinheiten aufweist, die jeweils eine Bauteilgruppe aufnehmen, wobei die Trageinheiten jeweils einen Träger und eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung der Träger untereinander aufweisen, wobei die Verbindungseinrichtung aus zumindest einem Verbindungselement gebildet ist, wobei ein Material des Verbindungselements und/oder der Träger so ausgewählt ist, dass das Verbindungselement und/oder der Träger bei einer Wärmebehandlung eine Wärmeausdehnung in zumindest einer linearen Richtung aufweist, die im Wesentlichen einer Wärmeausdehnung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils in der linearen Richtung entspricht.
An dem Chargenträger können demnach eine Mehrzahl von Bauteilgruppen mit zumindest zwei Bauteilen, die im Rahmen der Wärmebehandlung elektrisch oder nicht elektrisch leitend miteinander verbunden werden, angeordnet werden. Die Bauteilgruppen werden jeweils auf einer eigenen Trageinheit des Chargenträgers angeordnet, wobei die Trageinheiten aus dem Träger und der Verbindungseinrichtung ausgebildet sind. Der Chargenträger kann 2 + n Trageinheiten aufweisen, d. h. eine prinzipiell mit dem Chargenträger noch handhabbare Anzahl von Trageinheiten. Die Verbindungseinrichtung dient zur festen Verbindung der Träger untereinander und weist zumindest ein Verbindungselement auf. Kommt es zu einer partiellen oder vollständigen Erwärmung des Chargenträgers bei einer Wärmebehandlung der jeweiligen Bauteile, wird eine Wärmeausdehnung des Chargenträgers sowie zumindest eines Bauteils bzw. der Bauteilgruppe bewirkt. Diese Wärmeausdehnung erfolgt hier relativ bezogen auf ein gemeinsames Koordinatensystem des Chargenträgers und der Baueilgruppe in der gleichen zumindest einen linearen Richtung. Dabei ist ein Material des Verbindungselements und/oder des Trägers so ausgewählt, dass das Verbindungselement bzw. der Träger bei der Wärmebehandlung eine Wärmeausdehnung erfährt, die einer Wärmeausdehnung zumindest einer der jeweiligen Bauteile entspricht. Unter einer Wärmeausdehnung wird hier eine thermische Expansion in zumindest der linearen Richtung, das heißt eine Längenänderung, verstanden. Gleichwohl kann die Wärmeausdehnung auch auf eine Fläche oder ein Volumen bezogen sein und sich entsprechend in mehreren Richtungen auswirken. Da die Wärmeausdehnung des Verbindungselements bzw. der Träger annähernd oder gleich der Wärmeausdehnung eines der Bauteile der Bauteilgruppen ist, kann diese Wärmeausdehnung der betreffenden Bauteile von dem Chargenträger soweit kompensiert werden, dass ein unerwünschter Relativversatz der Bauteile während der Wärmebehandlung und/oder ein eventueller Verzug der Bauteile nach der Wärmebehandlung beim Abkühlen verhindert werden. So wird es dann auch möglich qualitativ hochwertige Bauteilgruppen wirtschaftlich herzustellen und enge Toleranzen bei der Herstellung einzuhalten.
Die Träger können mittels jeweils einer Befestigungseinrichtung formschlüssig mit dem Verbindungselement verbunden sein. Die Träger können prinzipiell voneinander getrennt, das heißt als einzelne Bauteile oder Elemente ausgebildet sein, die dann mit dem Verbindungselement verbunden sind. So wird es danach möglich die Träger so voneinander zu beabstanden, dass sich eine Wärmeausdehnung der Träger nicht durch einen gegenseitigen Kontakt der Träger beeinflusst bzw. über die Träger fortsetzt. Gleichzeitig kann es dann auch nicht zu einer direkten Wärmeübertragung zwischen Trägern kommen. Gleichwohl kann ein Relativabstand zwischen den Trägern durch die formschlüssige Verbindung mit dem Verbindungselement sehr genau ausgebildet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Relativabstand der Träger im Rahmen einer seriellen oder parallelen Wärmebehandlung mit einer entsprechenden Maschine erforderlich ist. Die Befestigungseinrichtung kann beispielsweise eine Schraube, einen Stift und/oder andere Befestigungsmittel umfassen. Weiter können mehrere Verbindungselemente vorgesehen sein.
Die Verbindungseinrichtung kann aus zumindest zwei Verbindungselementen gebildet sein, wobei die Verbindungselemente parallel angeordnete Profilstäbe sein können, die voneinander beabstandete Träger verbinden können. Die Profilstäbe können beispielsweise flache Profilstäbe sein, entlang deren Längserstreckung eine Anzahl von Träger angeordnet sind. Vorzugsweise können die Profilstäbe gleichartig ausgebildet sein, so dass es nicht zu einem Verzug der Verbindungseinrichtung bzw. des Chargenträgers bei einer Wärmebehandlung kommt. Auch können die Profilstäbe auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Träger mit diesen verbunden sein, so dass die Bauteile mit den Profilstäben bei einer Positionierung an dem Chargenträger in Kontakt gelangen oder von ihnen beabstandet sind.
Die jeweilige Trageinheit kann zumindest mit einer Positionierhilfe und/oder einer Ausnehmung zur Aufnahme und Positionierung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils ausgebildet sein. Die Trageinheit kann zur Positionierung bzw. Aufnahme weiterer Bauteile ausgebildet sein. Jede Trageinheit oder nur ausgewählte Trageinheiten können mit einer Positionierhilfe ausgebildet sein. Die Positionierhilfe kann beispielsweise ein Stift, ein Anschlag, eine Schiene, oder dergleichen sein, der bzw. die eine lagerichtige bzw. formschlüssige Positionierung der Bauteile an dem Chargenträger ermöglicht. Auch kann die Ausnehmung zu einer derartigen Positionierung der Bauteile genutzt werden. So kann beispielsweise eines der Bauteile oder beide Bauteile in die Ausnehmung vollständig oder in Teilen eingesetzt werden. Sich überlappende Bauteile können dann besonders einfach miteinander verbunden werden. Das erste Bauteil kann beispielsweise ein DBC-Substrat und das zweite Bauteil ein Leadframe sein.
Das Verbindungselement und die Träger können aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. Durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Träger und das zumindest eine Verbindungselement wird es möglich eine Temperaturleifähigkeit und eine Wärmeausdehnung des Chargenträgers entsprechend unterschiedlich zu beeinflussen. Die Materialien können dann so ausgewählt sein, dass der Chargenträger zumindest eine an die Wärmeausdehnung der Bauteilgruppe bzw. an das erste und/oder das zweite Bauteil angepasste Wärmeausdehnung aufweist. Das Verbindungselement und die Träger können alternativ auch aus den gleichen Materialien ausgebildet sein.
Gleichwohl können das erste Bauteil und das zweite Bauteil aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. Prinzipiell ist es auch möglich, dass die Bauteile ihrerseits aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind. So können sich dann auch für die jeweiligen Bauteile bzw. die Bauteilgruppen unterschiedliche Temperaturleitfähigkeiten und Wärmeausdehnungen ergeben. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil können alternativ auch aus den gleichen Materialien ausgebildet sein.
Das Material des Verbindungselements oder der Träger kann mit einem Material des ersten Bauteils übereinstimmen. Demnach kann das Materials des Verbindungselements oder der Träger nach einem Material des ersten Bauteils ausgewählt sein. Wesentlich ist, dass das Materials des Verbindungselements oder der Träger und Material des ersten Bauteils ähnliche physikalische Eigenschaften bezüglich der Wärmedehnung aufweisen, beispielsweise einen maximalen Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten von ± 5 × 10^-6/K. Dadurch wird es möglich, je nach geometrischer Gestaltung des Verbindungselements oder der Träger, eine Wärmeausdehnung des Verbindungselements oder der Träger an eine Wärmeausdehnung des ersten Bauteils besonders einfach anzupassen. Unter übereinstimmenden Materialien werden hier auch im Wesentlichen gleichartige Materialien, wie beispielsweise Kupfer und Legierungen von Kupfer, verstanden.
Das Material des Verbindungselements oder der Träger kann ein Material mit einem anisotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials unterscheidet sich folglich je nach einer Lage einer Struktur, wie beispielsweise ein Kristallgitter oder eine Armierung, des Materials. So können unterschiedlich starke Wärmeausdehnungen an dem Verbindungselement oder dem Träger bewirkt werden. Beispielsweise kann das Verbindungselement oder der Träger so angeordnet werden, dass in einer bestimmten linearen Richtung eine besonders geringe Wärmeausdehnung erfolgt, so dass es bei einer Erwärmung des Chargenträgers nicht oder nur zu einem geringen Versatz der Bauteile einer Bauteilgruppe relativ zueinander kommt.
Das Material kann ein Verbundwerkstoff, Graphit, bevorzugt Aluminium-Graphit oder Keramik, bevorzugt Aluminium-Siliziumkarbid, sein. Das Verbindungselement und/oder die Träger können insbesondere aus einem dieser Materialien ausgebildet sein. Insbesondere Graphit bzw. eine Modifikation von Graphit kann einen anisotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Weiter weist Aluminium-Graphit eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Wenn der Träger aus Aluminium-Graphit ausgebildet ist, kann die Bauteilgruppe besonders schnell über den Träger, beispielsweise mit einer Heizplatte, erwärmt werden. So können Taktzeiten deutlich reduziert werden. Gleichfalls können auch Materialien Verwendung finden, die eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, beispielsweise wenn ausschließlich eine partielle Erwärmung der Bauteilgruppe gewünscht ist.
Weiter kann das Material des Verbindungselements oder der Träger ein Metall, bevorzugt Kupfer oder Aluminium, oder eine Keramik sein. Kupfer und Aluminium weisen eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass diese Metalle auch vorteilhaft zur Ausbildung des Verbindungselements oder der Träger genutzt werden können. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit und damit eine hohe Temperaturleitfähigkeit ist dann vorteilhaft, wenn eine schnelle Zu- oder Abführung von Wärmeenergie an der Bauteilgruppe gewünscht ist. Gleichzeitig kann auch die Temperaturleitfähigkeit dazu genutzt werden, einen möglichst kleinen oder großen Temperaturgradienten innerhalb des Chargenträgers bzw. des Verbindungselements oder der Träger auszubilden und so bereits während einer Erwärmung des Chargenträgers und der Bauteilgruppen eine Wärmeausdehnung zu beschleunigen oder zu unterdrücken.
Ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_M eines Materials des Verbindungselements und/oder der Träger und ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_m eines Materials des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils kann um ≤ 20 × 10^-6/K, bevorzugt ≤ 10 × 10^-6/K, besonders bevorzugt ≤ 5 × 10^-6/K, voneinander abweichen oder gleich groß sein. Die genannten Werte beziehen sich auf eine Temperatur von 20°C. Annähernd gleiche oder gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirken eine gleichmäßige Wärmeausdehnung des Verbindungselements und/oder der Träger im Vergleich zu dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil bzw. der Bauteilgruppe. Weiter können die Materialien des Verbindungselements und des Trägers jeweils weit voneinander abweichende Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die ihrerseits an die jeweiligen Materialien des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils angepasst sind.
Ein Wärmeleitkoeffizient λ eines Materials des Verbindungselements und/oder der Träger kann ≥ 100 W/(m × K), bevorzugt ≥ 200 W/(m × K), besonders bevorzugt ≥ 300 W/(m × K), sein. Eine derart hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials begünstigt eine schnelle Erwärmung oder Abkühlung des Materials bzw. des Verbindungselements und/oder der Träger. Dadurch kann ein Prozess zur Wärmebehandlung der Bauteilgruppe wesentlich beschleunigt werden, da dann ein Fügen oder eine Nachbehandlung der jeweiligen Bauteile schnell erfolgen kann. Prinzipiell kann auch vorgesehen sein, dass der Wärmeleitkoeffizient des Materials des Verbindungselements und des Trägers jeweils voneinander stark abweicht. So kann insbesondere dort eine gute Wärmeleitung vorgesehen werden, wo eine schnelle Erwärmung der Bauteilgruppe wünschenswert ist.
Eine Temperaturleitfähigkeit α_V, α_T des Verbindungselements und/oder der Träger und eine Temperaturleitfähigkeit α_1B, α_2B des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils kann um ≤ 5 mm²/s, bevorzugt ≤ 3 mm²/s, besonders bevorzugt ≤ 1 mm²/s, voneinander abweichen oder gleich groß sein. Die genannten Werte beziehen sich auf eine Temperatur von 20°C. Unter einer Temperaturleitfähigkeit wird eine Wärmeleitfähigkeit dividiert durch das Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität verstanden. Das Verbindungselement und/oder der Träger können hinsichtlich ihrer geometrischen Gestalt und Masse so ausgebildet sein, dass durch die Verbindung der Träger mit dem jeweiligen Material des Verbindungselements sich eine hohe oder niedrige Temperaturleitfähigkeit ergibt. Diese Temperaturleitfähigkeit kann ihrerseits an eine Temperaturleitfähigkeit der jeweiligen Bauteile bzw. der Bauteilgruppe angepasst sein. Sofern sich dann die jeweiligen Wärmeströme in dem Verbindungselement und/oder den Trägern sowie den jeweiligen Bauteilen zeitgleich und gleichmäßig verteilen kann, kann auch eine entsprechend abgestimmte, parallele Wärmeausdehnung von Verbindungselement und/oder Träger mit den jeweiligen Bauteilen erzielt werden. Weiter kann durch eine hohe Temperaturleitfähigkeit ein Temperaturgradient innerhalb des Chargenträgers vermindert werden. Dies ist vorteilhaft, da dann ein Verzug des Chargenträgers sowie der zu fügenden Bauteile relativ zu einer Maschine verhindert werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere elektronischer Bauteile oder dergleichen, werden zumindest zwei Bauteilgruppen an zumindest zwei Trageinheiten eines Chargenträgers angeordnet, wobei die Trageinheiten jeweils eine Bauteilgruppe aufnehmen, wobei die Bauteilgruppen aus jeweils zumindest einem ersten Bauteil und einem mit dem ersten Bauteil zu verbindenden zweiten Bauteil gebildet werden, wobei in jeweils zumindest einem Verbindungsbereich der ersten Bauteile und der zweiten Bauteile ein Verbindungsmaterial mittels Wärmebehandlung bzw. Wärmeenergie einer Heizvorrichtung zumindest teilweise geschmolzen oder diffundiert und die ersten Bauteile mit den zweiten Bauteilen stoffschlüssig verbunden werden, wobei ein Träger der jeweiligen Trageinheit und/oder zumindest ein Verbindungselement einer Verbindungseinrichtung, zur Verbindung der Träger untereinander, bei der Wärmebehandlung eine Wärmeausdehnung in zumindest einer linearen Richtung erfährt, die im Wesentlichen einer Wärmeausdehnung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils in der linearen Richtung entspricht. Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteilsbeschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Mittels der Heizvorrichtung kann ein Lot als ein Verbindungsmaterial aufgeschmolzen oder eine Metallpaste, bevorzugt Silberpaste oder Kupferpaste, als ein Verbindungsmaterial gesintert werden, wobei die Heizvorrichtung eine Heizplatte und/oder ein Ofen sein kann. Das Verfahren kann dann beispielsweise zum Löten von elektronischen Bauteilen mit Lötanlagen oder zum Silbersintern bzw. Kupfersintern von elektronischen Bauteilen mit einer entsprechenden Maschine eingesetzt werden. Das Löten sowie das Sintern kann mit einer Heizplatte der Maschine und/oder einem Ofen erfolgen. Dabei kann der Chargenträger unmittelbar mit der Heizplatte kontaktiert und so die Bauteilgruppe erwärmt werden. Auch kann der Chargenträger zusammen mit der Bauteilgruppe in einem Ofen entsprechend erwärmt werden.
Während der Wärmebehandlung der ersten Bauteile und der zweiten Bauteile kann eine unterschiedlich schnelle Erwärmung oder Kühlung des Verbindungselements und/oder der Träger sowie der ersten Bauteile und/oder der zweiten Bauteile erfolgen, wobei ein Material des Verbindungselements und/oder der Träger so ausgewählt werden kann, dass eine Wärmeausdehnung der ersten Bauteile und/oder der zweiten Bauteile gleichförmig mit einer Wärmeausdehnung des Verbindungselements und/oder der Träger erfolgt. Folglich kann die Wärmeausdehnung des Verbindungselements und/oder der Träger die Wärmeausdehnung der ersten Bauteile und/oder der zweiten Bauteile bzw. der jeweiligen Bauteilgruppe kompensieren, derart, dass eine gleichzeitige und gleichmäßige Wärmeausdehnung erfolgt. So kann ein Verzug der Bauteile unterbunden und ein Verbindungskontakt derselben mit der jeweiligen Trageinheit verbessert werden, so dass ein besonders guter Wärmeübergang zwischen der Trageinheit und der Bauteilgruppe sichergestellt werden kann.
Während der Wärmebehandlung kann eine Wärmeausdehnung der ersten Bauteile, der zweiten Bauteile und der Träger erfolgen, wobei die ersten Bauteile, die zweiten Bauteile und die Träger relativ zueinander koplanar positioniert sein können. Folglich ergibt sich während der Wärmebehandlung dann auch keine Veränderung der Position der Bauteile und des Trägers relativ zueinander.
Innerhalb des Trägers kann während der Wärmebehandlung ein Temperaturgradient von ≤ 15 K, bevorzugt ≤ 10 K, besonders bevorzugt ≤ 5 K, ausgebildet werden. Ein geringer Temperaturgradient kann vorteilhaft durch eine hohe Temperaturleitfähigkeit erzielt werden, und stellt eine homogene Wärmeverteilung innerhalb des Trägers sicher. Ein sich aus einer inhomogenen Wärmeverteilung ergebender Verzug kann so vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Chargenträgers;
2 eine Draufsicht des Chargenträgers;
3 eine Schnittansicht des Chargenträgers aus 2 entlang einer Linie III-III;
4 eine Detailansicht IV des Chargenträgers aus 3.

Eine Zusammenschau der 1 bis 4 zeigt einen Chargenträger 10 der zur Aufnahme einer hier nicht dargestellten Mehrzahl von Bauteilgruppen dient, wobei die Bauteilgruppen zusammen mit dem Chargenträger einer Wärmebehandlung zugeführt werden. Die Bauteilgruppen umfassen jeweils zumindest ein erstes Bauteil und ein mit dem ersten Bauteil elektrisch oder nicht elektrisch leitend und stoffschlüssig zu verbindendes zweites Bauteil, wobei eine stoffschlüssige, elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Bauteilen durch ein zumindest teilweises Schmelzen oder Diffundieren von Verbindungsmaterial, wie beispielsweise Lot oder eine Metallpaste, durch die Wärmebehandlung erfolgt. Auch kann lediglich eine Wärmebehandlung von bereits ausgebildeten bzw. gefügten Bauteilgruppen vorgesehen sein.
Der Chargenträger 10 bildet Trageinheiten 11 in einer Reihenanordnung aus, die jeweils eine Bauteilgruppe aufnehmen können. Die Trageinheiten 11 sind aus jeweils einem Träger 12 und einer Verbindungseinrichtung 13 zur Verbindung der Träger 12 ausgebildet. Insbesondere ist hier die Verbindungseinrichtung 13 aus zwei Verbindungselementen 14 ausgebildet. Das jeweilige Verbindungselement 14 ist ein Profilstab 15 und besteht aus Kupfer. Alternativ kann der Profilstab 15 aus Aluminium bestehen. Die Verbindungselemente 14 verbinden die Träger 12, die in der hier gezeigten Reihenanordnung durch einen schmalen Spalt 16 ein Stück weit voneinander beabstandet sind. Die Träger 12 sind mit einer Ausnehmung 17 zur Aufnahme eines hier nicht gezeigten ersten Bauteils der Bauteilgruppe ausgebildet. Das erste Bauteil kann ein DCB-Substrat sein. Die Ausnehmung 17 ist derart ausgebildet, dass das erste Bauteil in diese eingesetzt und in einer gewünschten Lage durch eine Kontur 18 der Ausnehmung 17 positioniert bzw. fixiert werden kann. Die Träger 12 bestehen aus Aluminium-Graphit.
Der Chargenträger 10 umfasst weiter eine Befestigungseinrichtung 19 zur formschlüssigen Verbindung der Verbindungselemente 14 mit den Trägern 12. Die Befestigungseinrichtung 19 umfasst Schrauben 20 und von den Trägern 12 ausgebildete bzw. angeformte Stifte 21, die in überstimmend ausgebildete Durchgangsöffnungen 22 in den Verbindungselementen 14 eingesetzt sind. Durch das Ineinandergreifen der Stifte 21 mit den Durchgangsöffnungen 22 wird eine formschlüssige Verbindung zwischen den Trägern 12 und den Verbindungselementen 14 ausgebildet. Gleichzeitig werden die Träger 12 mit den jeweiligen Schrauben 20 an den Verbindungselementen 14 fest, formschlüssig und kraftschlüssig, fixiert. Darüber hinaus ist an den jeweiligen Längsseiten 23 der Träger 12 ein Absatz 24 ausgebildet, dessen Tiefe in etwa einer Höhe der Verbindungselemente 14 entspricht. Die Verbindungselemente 14 sind in diesen Absatz 24 im Wesentlichen bündig eingesetzt, wobei der Absatz 24 so ausgebildet ist, dass zwischen den jeweiligen Verbindungselementen 14 und den Trägern 12 ebenfalls ein schmaler Spalt 25, der entlang der Längserstreckung bzw. einer Längsachse 26 des Chargenträgers 10 verläuft, ausgebildet ist.
Das Aluminium-Graphit des jeweiligen Trägers 14 weist einen anisotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Auch ist an den jeweiligen Verbindungselementen 14 eine Positionierhilfe 27 für Bauteile vorgesehen, die hier durch einen Stift 28 gebildet ist. Insbesondere kann so ein hier nicht dargestelltes Kupferblech bzw. ein Leadframe als ein zweites Bauteil, welches mit einem Stanzwerkzeug ausgebildet sein kann, auf eine Oberseite 29 des Chargenträgers 10 positionsgenau aufgelegt werden. Die Stifte 28 können dann unter anderem in Durchgangsöffnungen des Kupferblechs eingreifen und dieses so lagerichtig positionieren.
Eine Wärmebehandlung kann nun derart erfolgen, dass an einer Unterseite 30 des Chargenträgers 10 eine hier nicht dargestellte Heizplatte angelegt wird, die den Chargenträger 10 erwärmt. Diese Erwärmung erfolgt bis zu einer Temperatur durch die das Verbindungsmaterial zumindest teilweise geschmolzen wird, worauf nachfolgend der Chargenträger 10 wieder abgekühlt und das Verbindungsmaterial verfestigt wird, so dass eine stoffschlüssige und elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ausgebildet wird.
Bei der Erwärmung des Chargenträgers mit der Heizplatte kommt es aufgrund der hohen Temperaturleitfähigkeit des Aluminium-Graphits der Träger 12 zu einer raschen Erwärmung der Bauteile in diesem Bereich. Eine Wärmeausdehnung quer zu der Längsachse 26 ist gering, da der Ausdehnungskoeffizient des Aluminium-Graphits in dieser Richtung ebenfalls klein ist. Eine Wärmeausdehnung der Träger 12 entlang der Längsachse 26 ist hingegen von geringer Bedeutung, da die Träger 12 durch den Spalt 16 beabstandet sind. Da die Verbindungselemente 14 im Wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie das gestanzte Kupferblech, ist eine Wärmeausdehnung des Chargenträgers zusammen mit dem Kupferblech entlang der Längsachse 26 im Wesentlichen gleich. Es kommt daher nicht zu einem unterwünschten Versatz des ersten Bauteils und des zweien Bauteils während der Wärmebehandlung oder zu einer eventuellen Verformung bei einer Abkühlung. Gleiches betrifft eine Wärmeausdehnung der jeweiligen Träger 12 und der in die Ausnehmungen 17 jeweils eingelegten ersten Bauteile. Auch hier ist eine Wärmeausdehnung der Träger 12 so bemessen, dass die ersten Bauteile an der Kontur 18 anliegen und nicht verschoben werden. So können besonders enge Toleranzen bei der Herstellung elektronischer Bauteile eingehalten und ein Prozess zur Herstellung vorteilhaft beschleunigt werden.

Claims

Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere elektronischer Bauteile oder dergleichen, mit einem Chargenträger (10) und zumindest zwei an dem Chargenträger angeordneten Bauteilgruppen, wobei die Bauteilgruppen jeweils zumindest ein erstes Bauteil und ein mit dem ersten Bauteil zu verbindendes oder verbundenes zweites Bauteil aufweisen, wobei der Chargenträger zumindest zwei Trageinheiten (11) aufweist, die jeweils eine Bauteilgruppe aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheiten jeweils einen Träger (12) und eine Verbindungseinrichtung (13) zur Verbindung der Träger untereinander aufweisen, wobei die Verbindungseinrichtung aus zumindest einem Verbindungselement (14) gebildet ist, wobei ein Material des Verbindungselements und/oder der Träger so ausgewählt ist, dass das Verbindungselement und/oder der Träger bei einer Wärmebehandlung eine Wärmeausdehnung in zumindest einer linearen Richtung aufweist, die im Wesentlichen einer Wärmeausdehnung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils in der linearen Richtung entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (12) mittels jeweils einer Befestigungseinrichtung (19) formschlüssig mit dem Verbindungselement (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (13) aus zumindest zwei Verbindungselementen (14) gebildet ist, wobei die Verbindungselemente parallel angeordnete Profilstäbe (15) sind, die voneinander beabstandete Träger (12) verbinden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Trageinheit (11) mit zumindest einer Positionierhilfe (27) und/oder einer Ausnehmung (17) zur Aufnahme und Positionierung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (14) und die Träger (12) aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Verbindungselements (14) oder der Träger (12) mit einem Material des ersten Bauteils übereinstimmt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Verbindungselements (14) oder der Träger (12) ein Material mit einem anisotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Verbundwerkstoff, Graphit, bevorzugt Aluminium-Graphit oder Keramik, bevorzugt Aluminium-Siliziumcarbid, ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Verbindungselements (14) oder der Träger (12) ein Metall, bevorzugt Kupfer oder Aluminium, oder eine Keramik ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient (α_M) eines Materials des Verbindungselements (14) und/oder der Träger (12) und ein Wärmeausdehnungskoeffizient (α_m) eines Materials des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils um ≤ 20 × 10^-6/K, bevorzugt ≤ 10 × 10^- ⁶/K, besonders bevorzugt ≤ 5 × 10^-6/K, voneinander abweicht oder gleich groß ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeleitkoeffizient (λ) eines Materials des Verbindungselements (14) und/oder der Träger (12) ≥ 100 W/(m × K), bevorzugt ≥ 200 W/(m × K), besonders bevorzugt ≥ 300 W/(m × K), ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturleitfähigkeit (α_V, α_T) des Verbindungselements (12) und/oder der Träger (14) und eine Temperaturleitfähigkeit (α_1B, α_2B) des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils um ≤ 5 mm²/s, bevorzugt ≤ 3 mm²/s, besonders bevorzugt ≤ 1 mm²/s, voneinander abweicht oder gleich groß ist.
Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere elektronischer Bauteile oder dergleichen, wobei zumindest zwei Bauteilgruppen an zumindest zwei Trageinheiten (11) eines Chargenträges (10) angeordnet werden, wobei die Trageinheiten jeweils eine Bauteilgruppe aufnehmen, wobei die Bauteilgruppen aus jeweils zumindest einem ersten Bauteil und einem mit dem ersten Bauteil zu verbindenden zweiten Bauteil gebildet werden, wobei in jeweils zumindest einem Verbindungsbereich der ersten Bauteile und der zweiten Bauteile ein Verbindungsmaterial mittels Wärmebehandlung einer Heizvorrichtung zumindest teilweise geschmolzen oder diffundiert und die ersten Bauteile mit den zweiten Bauteilen stoffschlüssig verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger (12) der jeweiligen Trageinheit und/oder zumindest ein Verbindungselement (14) einer Verbindungseinrichtung (13), zur Verbindung der Träger untereinander, bei der Wärmebehandlung eine Wärmeausdehnung in zumindest einer linearen Richtung erfährt, die im Wesentlichen einer Wärmeausdehnung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils in der linearen Richtung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Heizvorrichtung ein Lot als ein Verbindungsmaterial aufgeschmolzen oder eine Metallpaste, bevorzugt Silberpaste oder Kupferpaste, als ein Verbindungsmaterial gesintert wird, wobei die Heizvorrichtung eine Heizplatte und/oder ein Ofen ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der Wärmebehandlung der ersten Bauteile und der zweiten Bauteile eine unterschiedlich schnelle Erwärmung oder Kühlung des Verbindungselements (14) und/oder der Träger (12) sowie der ersten Bauteile und/oder der zweiten Bauteile erfolgt, wobei ein Material des Verbindungselements und/oder der Träger so ausgewählt wird, dass eine Wärmeausdehnung der ersten Bauteile und/oder der zweiten Bauteile gleichförmig mit einer Wärmeausdehnung des Verbindungselements und/oder der Träger erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass während der Wärmebehandlung eine Wärmeausdehnung der ersten Bauteile, der zweiten Bauteile und der Träger (12) erfolgt, wobei die ersten Bauteile, die zweiten Bauteile und die Träger relativ zueinander koplanar positioniert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Trägers (12) während der Wärmebehandlung ein Temperaturgradient von ≤ 15 K, bevorzugt ≤ 10 K, besonders bevorzugt ≤ 5 K, ausgebildet wird.