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Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Durchdruck, insbesondere zum Sieb- oder Schablonendruck, eines bei Zimmertemperatur wachsartig, pastösen und bei Erwärmung über die Schmelztemperatur zähflüssigen Materials auf eine Oberfläche eines, vorzugsweise in einer Aufnahmeeinrichtung angeordneten Körpers. Vorzugsweise ist der Körper als eine Kühleinrichtung, insbesondere als ein Kühlkörper, oder als eine Grund- oder Bodenplatte oder als Substrataußenfläche eines Leistungshalbleitermoduls ausgebildet, während das Material vorzugsweise ein Wärmeleitmittel, oder synonym Wärmeleitpaste genannt, ist. Rein beispielhaft bestehen derartige Wärmeleitmittel aus einem Silikonmaterial mit einem sehr hohen Anteil an wärmeleitenden Partikeln.
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Die
US 3,656,428 offenbart als Stand der Technik ein durch ein Siebdruckverfahren aufzubringendes Material, gemischt mit einem thermoplastischen Körper, der bei Raumtemperatur fest ist und bei einer vorbestimmten erhöhten Temperatur schmilzt. Das Material wird zu einer Platte geformt, die dann gegen eine Sieboberfläche gedrückt wird. Das Sieb wird genug erhitzt, um einen Teil der Platte zu schmelzen, anschließend wird das geschmolzene Material mittels eines Rakels durch das Sieb gedrückt.
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Die
DE 10 2005 052 798 A1 beschreibt eine Vorrichtung, und ein zugehöriges Verfahren, zur Aufnahme und Positionierung einer Mehrzahl voneinander beabstandeter Leistungshalbleitermodule mit einem Positionierformkörper, der eine plane erste Hauptfläche und eine Mehrzahl von Ausnehmungen zur Aufnahme der Leistungshalbleitermodule aufweist. Hierbei weist jede Ausnehmung ein Anschlagmittel auf, wodurch jeweils eine Hauptfläche eines Leistungshalbleitermoduls planparallel und fluchtend zur ersten Hauptfläche des Positionierformkörpers positioniert wird. Die Ausnehmung ist ausgehend von der zweiten Hauptfläche in Richtung der ersten Hauptfläche zumindest in einem Teilabschnitt konisch zulaufend ausgebildet. Die Vorrichtung dient dem Aufbringen von Wärmeleitpaste auf das Leistungshalbleitermodul.
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In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren vorzustellen, das es erlaubt ein bei Zimmertemperatur wachsartig, pastöses und bei Erwärmung über die Schmelztemperatur zähflüssiges Materials auf eine Oberfläche einer Kühleinrichtung oder eines Leistungshalbleitermoduls strukturiert aufzubringen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Durchdruck, eines bei Zimmertemperatur wachsartig, pastösen und bei Erwärmung über die Schmelztemperatur zähflüssigen Materials auf eine Oberfläche eines, vorzugsweise in einer Aufnahmeeinrichtung angeordneten Körpers, wobei das Material in einem Vorlagebehälter angeordnet ist und mittels einer Verbindungseinrichtung zu einer Auftragseinrichtung transportiert und mittels dieser Auftragseinrichtung auf einen Auftragsabschnitt einer Schablone aufgetragen wird, wobei die Schablone als ein flächiger Körper mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen ausgebildet ist, und wobei ein Rakel dazu ausgebildet ist das Material durch Verschieben vom Auftragsabschnitt ausgehend in den Ausnehmungen anzuordnen und wobei die Vorrichtung mindestens eine Heizeinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist mindestens eine der Komponenten: Aufnahmeeinrichtung, soweit vorhanden, Vorlagebehälter, Verbindungseinrichtung, Auftragseinrichtung, Schablone, Rakel und Oberfläche zeitweise oder dauerhaft auf eine Verfahrenstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur zu erwärmen.
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Hierbei soll insbesondere unter dem Begriff wachsartig, pastös eine Viskosität von größer 1.000 Pa·s, vorzugsweise größer 5.000 Pa·s, und unter dem Begriff zähflüssig eine Viskosität zwischen 10 Pa·s und 500 Pa·s, bevorzugt zwischen 20 Pa·s und 200 Pa·s, verstanden werden, wobei die Viskosität gemäß EN ISO 3219 und bevorzugt bei einer Scherrate von 10,0 1/s, bestimmt wird. Es sei angemerkt, dass das Material ohne Zusatz von weiteren Stoffen wie beispielhaft Lösungsmitteln bei Normalbedingungen, also bei 293,15K und 1013hPa, den wachsartig, pastösen Zustand einnimmt. Weiterhin sei angemerkt, dass die Schmelztemperatur und die Verfahrenstemperatur ebenfalls bei 1013hPa bestimmt werden. Eine bevorzugte Schmelztemperatur des Materials liegt zwischen 20K und 70K über der Normaltemperatur.
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Es ist hierbei bevorzugt, wenn das Material im Vorlagebehälter einen Anteil an einem Lösungsmittel von mindestens 1 Masse-% und von maximal 30 Masse-%, bevorzugt maximal 15 Masse-% und insbesondere bevorzugt von maximal 8 Masse-% aufweist. Es kann sogar ein Anteil von maximal 5 Masse-% vorteilhaft sein. Alternativ kann es bevorzugt sein, wenn das Material lösemittelfrei ist, also einen Lösemittelanteil von weniger als 0,5 Masse-% aufweist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Schablone ausgebildet ist als ein flächiger Metallkörper, insbesondere als ein Metallblech, mit Ausnehmungen insbesondere der Dimension von 0,5mm bis 20mm oder als ein feinmaschiges Gewebe mit Ausnehmungen insbesondere der Dimension von 0,01mm bis 0,2mm. Hierbei weist der Metallkörper eine bevorzugte Dicke zwischen 60µm und 0,8mm auf.
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Es ist vorteilhaft, wenn die, ggf. jeweilig, Verfahrenstemperatur mindestens 10K, bevorzugt mindestens 15K und insbesondere bevorzugt mindestens 20K über der Schmelztemperatur liegt.
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Die o.g. Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Durchdruck eines bei Zimmertemperatur wachsartig, pastösen und bei Erwärmung über seine Schmelztemperatur zähflüssigen Materials auf eine Oberfläche eines Körpers, wobei das Material mit einer Materialtemperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur liegt auf die Oberfläche aufgetragen wird, mit den Verfahrensschritten:
- a) Anordnen eines Körpers und einer Schablone zueinander;
- b) Erhitzen des Materials in mindestens einer der Komponenten:
- Vorlagebehälter, Verbindungseinrichtung und Auftragseinrichtung;
- c) Aufbringen des erhitzten Materials auf einen Auftragsabschnitt der Schablone;
- d) Einbringen des Materials in die Ausnehmungen der Schablone mittels eines Rakels.
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Vorzugsweise wird zu Ausführung eine oben genannte Vorrichtung verwendet.
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Hierbei ist es bevorzugt, wenn das Material lösemittelfrei vorliegt und die Materialtemperatur mindestens 3K, bevorzugt mindestens 5K und insbesondere bevorzugt mindestens 10K über der Schmelztemperatur liegt.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Materialtemperatur höchsten 30K, bevorzugt höchstens 20K und insbesondere bevorzugt höchstens 15K über der Schmelztemperatur liegt.
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Es kann alternativ bevorzugt sein, wenn das Material einen Anteil an einem Lösungsmittel von maximal 30 Masse-%, bevorzugt maximal 15 Masse-% und insbesondere bevorzugt von maximal 8 Masse-% aufweist und die Materialtemperatur mindestens 3K, bevorzugt mindestens 5K und insbesondere bevorzugt mindestens 10K unter der Schmelztemperatur liegt.
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Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn das Material unmittelbar nach dem Verfahren in wachsartig, pastöser Form vorliegt ohne dass ein weiterer Temperaturprozess, insbesondere zum Austreiben eines Lösungsmittels, nachgeschaltet ist.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere die Aufnahmeeinrichtung für einen Körper, mehrfach in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhanden sein oder beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Ebenso können einzelne, insbesondere alle Verfahrensschritte mehrfach in dem erfindungsgemäßen Verfahren oder dessen Ablauf vorhanden sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung gleichgültig ob sie im Rahmen der Beschreibung der Vorrichtung oder des Verfahrens offenbart sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 zeigt einen Teil einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines Körpers in Draufsicht.
- 2 zeigt eine Aufnahmeeinrichtung und ausschnittsweise eine Schablone in dreidimensionaler Ansicht.
- Die 3 bis 6 zeigen verschiedene Schritte einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 7 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit angeordnetem Material auf einer Substrataußenfläche.
- 8 zeigt eine Kühleinrichtung mit angeordnetem Material.
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1 zeigt einen Teil einer Aufnahmeeinrichtung 10 zur Aufnahme eines Körpers 30 in Draufsicht. Die Aufnahmeeinrichtung 10 ist ausgebildet als ein Metallformkörper mit einer Mehrzahl von Nestern 12 zur Aufnahme von Körpern, die hier als Leistungshalbleitermodule 30 vorliegen. Dieser Leistungshalbleitermodule 30 können, vgl. 3 von unten in z-Richtung in der Aufnahmeeinrichtung 10 angeordnet werden, wobei Anschlagmittel 14 der Aufnahmeeinrichtung 10 die Leistungshalbleitermodule 30 derart positionieren, dass die Hauptfläche 100 der Aufnahmeeinrichtung 10 mit der Substrataußenfläche 320 der anzuordnenden Leistungshalbleitermodule 30 fluchtet.
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2 zeigt eine Aufnahmeeinrichtung 10 und ausschnittsweise eine Schablone 20 in dreidimensionaler Ansicht. Diese Aufnahmeeinrichtung 10 weist wiederum Nester 12 mit Anschlagmitteln 14 und zusätzlich ein Heizeinrichtung 812 auf, die dazu ausgebildet ist die Aufnahmeeinrichtung 10 auf eine zugeordnete Verfahrenstemperatur zu erwärmen. Diese Verfahrenstemperatur sollte, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, hier ca. 15K oberhalb der Schmelztemperatur des Materials liegen.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit beabstandet dargestellt ist weiterhin ein Abschnitt einer Schablone 20. Diese Schablone 20 besteht aus einer Metallblech mit einer Dicke von 200µm und weist eine Vielzahl von Ausnehmungen 22 auf, die dazu ausgebildet sind, dass hierin im Rahmen des Verfahrens Material, hier ein Wärmeleitmittel, angeordnet wird. Die Ausnehmungen 22 der Schablone 20 sind vorzugsweise quadratisch oder hexagonal ausgebildet und weise eine lichte Weite im Bereich von wenigen Millimetern auf. Die Schablone 20 weist ebenfalls eine Heizeinrichtung 806 auf, die dazu ausgebildet ist die Schablone 20 auf eine zugeordnete Verfahrenstemperatur zu erwärmen. Diese Verfahrenstemperatur sollte, ebenfalls ohne Beschränkung der Allgemeinheit, ca. 10K oberhalb der Schmelztemperatur des Materials, also bei einer gegenüber der Verfahrenstemperatur der Aufnahmeeinrichtung 10 niedrigeren Temperatur, liegen.
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Die 3 bis 6 zeigen verschiedene Schritte einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 zeigt die Aufnahmeeinrichtung 10 im Querschnitt, sowie eine Mehrzahl von Nestern 12 in dieser Aufnahmeeinrichtung 10. Jedes der Nester 12 weist Anschlagmittel 14 auf, die dazu ausgebildet sind mit Teilen eines in dem jeweiligen Nest anzuordnenden Leistungshalbleitermoduls 30, die hier die Körper ausbilden, zusammenzuwirken.
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Weiterhin dargestellt sind zwei fachübliche Leistungshalbleitermodule 30 der Spannungsklasse 1200V und mit einer Stromtragfähigkeit von 100A. Das jeweilige Leistungshalbleitermodul 30 weist ein Substrat 30 mit einer Substrataußenfläche 320 und eine umlaufende Gehäusekante 34 auf. Die Gehäusekante 34 wirkt mit den Anschlagmitteln 14 des zugeordneten Nests 12 derart zusammen, dass die Substrataußenfläche 320 mit der Hauptfläche 100 der Aufnahmeeinrichtung 10 eine Ebene bildet. Die der Substrataußenfläche 320 gegenüberliegende Seite des Leistungshalbleitermoduls 30 ist in einer Transporteinrichtung 40 angeordnet. Alternativ kann das Leistungshalbleitermodul 30 auch in einem fachüblichen Werkstückträger angeordnet sein.
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4 zeigt die Aufnahmeeinrichtung 10 samt Leistungshalbleitermodulen 30 gemäß 3, sowie eine auf der Hauptfläche 100 der Aufnahmeeinrichtung 10 und auf der Substrataußenfläche 320 angeordnete Schablone 20. Diese ist wie unter 2 beschrieben ausgebildet.
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Weiterhin dargestellt ist ein Vorlagebehälter 50 und eine Auftragseinrichtung 54, die mittels einer Verbindungseinrichtung 52 verbunden sind. In dem Vorlagebehälter 50 ist ein Material 60, hier ein Wärmeleitmittel angeordnet, das ohne Zusatz von weiteren Stoffen bei Normalbedingungen eine wachsartig, pastöse Konsistenz aufweist und das oberhalb seiner Schmelztemperatur eine zähflüssige Konsistenz aufweist. In dieser Ausgestaltung ist dem Wärmeleitmittel 60 kein weiterer Stoff, insbesondere kein Lösungsmittel, zugesetzt. Um das Wärmeleitmittel 60 dennoch ohne hohen Druck durch die Verbindungseinrichtung 52 zur Auftragseinrichtung 54 transportieren zu können und dort auf einem Auftragsabschnitt 24 der Schablone 20 aufbringen zu können, wird der Vorlagebehälter 50 mittels einer Heizeinrichtung 800 derart beheizt, dass die Materialtemperatur im Inneren mindestens 15K über der Schmelztemperatur, hier ca. 313K, des Materials 60 liegt. Vorzugsweise und hier auch dargestellt ist sowohl die Verbindungseinrichtung 52 als auch die Auftragseinrichtung 54 ebenfalls mittels jeweils einer Heizeinrichtung 802,804 beheizt, sodass das Material mit der o.g. Materialtemperatur und mittels der Auftragseinrichtung 54 auf die Schablone 20 aufgebracht wird.
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Die Schablone 20 ist in dieser Ausgestaltung ebenfalls beheizt. Hierzu sind hier zwei Heizeinrichtungen 806,808 angeordnet: Eine direkte Heizeinrichtung 806, die hier mittels eines Heizstroms durch die Schablone 20 diese erwärmt und eine indirekte Heizeinrichtung 808, die als Infrarotheizstrahler mit Fokussierung und vorzugsweise einer Blendeneinrichtung ausgebildet ist. Der Infrarotheizstrahler erwärmt hier nicht nur die Schablone 20, sondern durch die Ausnehmungen 22 der Schablone 20 hindurch auch die Substrataußenfläche 320 des Leistungshalbleitermoduls 30.
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5 zeigt einen weiteren Schritt des Verfahrensablaufs, bei dem das Wärmeleitmittel 64 mittels eines Rakels 24, das vorzugsweise ebenfalls über eine Heizeinrichtung 810 verfügt, in die Ausnehmungen 22 der Schablone 20, siehe 6, eingebracht. Während beider Verfahrensschritte weist das Wärmeleitmittel 64 eine Temperatur auf, die oberhalb seine Schmelztemperatur liegt.
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Bei der bisher beschriebenen Ausgestaltung des Verfahrens lag das Material lösemittelfrei vor und hatte während der gesamten Verarbeitung eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur. Nach dem Prozess und nach Abkühlen des Materials, also des Wärmeleitmittels 66, liegt diese bei Normalbedingungen in der wachsartig, pastösen Form vor.
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7 zeigt ein Leistungshalbleitermodul 30 mit angeordnetem Material, hier Wärmeleitmittel 66, auf einer Substrataußenfläche 320 in homogener Verteilung.
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Alternativ zum oben beschriebenen Verfahrensablauf kann das Material einen Lösemittelanteil von bevorzugt 10% bis 15% aufweise. In diesem Fall sinkt die Temperatur des Materials, genauer der Mischung mit dem Lösemittel, bei dem es eine zähflüssige Konsistenz annimmt unter die Schmelztemperatur des lösemittelfreien Materials. Somit kann auch die Erwärmung zwischen dem Vorlagebehälter und der Schablone entsprechend geringer sein. Entscheidend ist allerdings, dass das Lösungsmittel bis zum Abschluss des Verfahrens in der zugeordneten Vorrichtung soweit aus dem Material entwichen ist, dass es in der wachsartig, pastösen Konsistenz vorliegt.
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8 zeigt eine Kühleinrichtung 70 mit angeordnetem Material, hier ebenfalls einem Wärmeleitmittel 66, nach der alternativen Ausgestaltung des Verfahrens in inhomogener Verteilung.
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Es sei angemerkt, dass beide Verfahren grundsätzlich gleichartig ablaufen, unabhängig davon, ob die die Schablone ausgebildet ist als ein flächiger Metallkörper, insbesondere als ein Metallblech, mit Ausnehmungen der Dimension von 1mm bis 20mm oder als ein feinmaschiges Gewebe mit Ausnehmungen der Dimension von 0,01mm bis 0,5mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3656428 [0002]
- DE 102005052798 A1 [0003]