Für Prozessdrücke von 0,4 bis 20 MPa
Sinterananlagen: Prozessvielfalt durch angepasste Kraftbereiche
Mit der »SIN 50« (500 kN) und der »SIN 100« (1.000 kN) stellt PINK Thermosysteme zwei Sinteranlagen vor, die für Prozessdrücke von 0,4 bis 20 MPa ausgelegt sind – ein Bereich, der für Diffusionslöten auf Basis von TLPS-Materialien und druckreduzierten Sinterpasten maßgeblich ist.
Druckbereich als Auslegungsgrundlage
Druckunterstütztes Sintern hat sich für Die-Attach-Verbindungen in der Leistungselektronik über die letzten Jahre als Fügeverfahren etabliert, das gegenüber konventionellen Lötverbindungen überlegene Werte in thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie deutlich höhere Zuverlässigkeit in Temperaturwechsel- und Lastwechseltests erzielt. Die Prozessdrücke variieren jedoch erheblich – abhängig von Pastenformulierung, Substrat und Fügeverfahren.
Die »SIN 200« von PINK erreicht Presskräfte bis 2.000 kN und deckt den Druckbereich ab, den konventionelle Silbersinterpasten mit bis zu 30 MPa erfordern. Für Prozesse, bei denen 1 bis 20 MPa ausreichen, ist dieses Kraftniveau nicht notwendig – mit entsprechenden Konsequenzen für Anlagengewicht, Anschaffungskosten und Aufstellfläche. Dem tragen die Anlagen »SIN 50« und »SIN 100« Rechnung, sie sind für diesen niedrigeren Druckbereich konzipiert.
Zwei Materialklassen definieren den typischen Anwendungsbereich der neuen Anlagen:
Diffusionslöten (TLPS – Transient Liquid Phase Sintering): Dieses Fügeverfahren kombiniert die Verarbeitbarkeit konventionellen Lötens mit der Hochtemperaturfestigkeit gesinterter Verbindungen. Ein praxisreifes Beispiel aus dem Markt ist das »PFDS400« der PFARR Stanztechnik GmbH. Hierbei handelt es sich um ein Preform-basiertes Mehrschichtsystem aus bleifreiem Zinnlot und einer Kupferlage, das bei einer Prozesstemperatur von ca. 250 °C vollständige intermetallische Phasen ausbildet. Diese intermetallischen Phasen weisen selbst jedoch eine Schmelztemperatur von über 400 °C auf. Der erforderliche Prozessdruck für die verschieden erhältlichen Systeme liegt bei 0,4 bis 5 MPa. Sinteranlagen, wie sie für klassische Silbersinterpasten erforderlich sind, sind für diesen Prozess deutlich überdimensioniert.
Neuere Sinterpasten: Eine wachsende Anzahl moderner Formulierungen – darunter kupferbasierte Pasten und druckoptimierte Silbersysteme – ist bereits bei 10 bis 20 MPa prozessierbar und eröffnet damit ein erhebliches Kostensenkungspotenzial gegenüber klassischen Sinterprozessen.
Sintern von Die-Attach-Verbindungen diskreter Bauelemente, bei denen die Leadframe-Geometrie nur geringe Kräfte erfordert.
Die »SIN 50« deckt einen Kraftbereich bis 500 kN ab, die »SIN 100« bis 1.000 kN. Beide Anlagen sind auf eine maximale Prozessfläche von 350 × 300 mm (105.000 mm²) ausgelegt und liegen damit oberhalb der am Markt in diesem Segment derzeit verfügbaren Formate.
Antrieb und Prozessregelung
Der Antrieb ist auf den jeweiligen Kraftbereich dimensioniert. Gegenüber der »SIN 200« ergibt sich eine deutliche Reduktion des Anlagengewichts sowie eine entsprechende Senkung des Anschaffungspreises. Zudem wird der Footprint der Anlage spürbar verkleinert. Das Sintermodul misst 1.360 mm × 1.994 mm (Breite x Tiefe) – sowohl für die »SIN 50« als auch für die »SIN 100«. Das geringere Gewicht und die reduzierte Stellfläche senken die Aufstellkosten und vereinfachen die Integration an Standorten mit begrenzter Deckenlast.
Die Regelarchitektur des Sinterantriebs entspricht der der »SIN 200«: Kraft-Weg-Überwachung, aktive Kraftregelung sowie Kraftrückhalteregelung während des Prozesses und Positionssteuerung des Pressstempels sind in beiden Systemen implementiert. Auflagekraft, Vorhaltezeit und Temperaturprofil sind frei programmierbar und werden prozessbegleitend aufgezeichnet.
Werkzeugkonzept
Die »SIN 50« und »SIN 100« sind mit einem rechteckigen Softtool ausgestattet, das die Basis für zwei weitere Werkzeugoptionen bildet:
Hartstempelwerkzeug mit automatischer Ausrichtung: Die Selbstjustage kompensiert Parallelitätsabweichungen der Substrat- und Bauteiloberflächen und sorgt für eine homogene Druckverteilung über die gesamte Prozessfläche – relevant bei Bauteilen mit engen Toleranzanforderungen und bei der Verarbeitung mehrerer Substrate pro Zyklus.
Multistempelwerkzeug: Mehrere unabhängig federnde Stempel ermöglichen die simultane Bearbeitung von Bauteilen mit unterschiedlichen Höhen auf einem gemeinsamen Substrat – etwa beim Clip-Bonding. Das zu Grunde liegende Softtool sorgt dabei für eine gleichmäßige Druckverteilung unabhängig von Dicken- und Höhentoleranzen. Der Multistempelaufsatz ist vom Nutzer selbst tauschbar, was einen unkomplizierten und schnellen Wechsel des Produktdesigns ermöglicht.
Die Krafterzeugung im Werkzeug erfolgt ohne Hochdruckmedium, weder Druckgas noch Öl werden im Werkzeug selbst eingesetzt. Abdichtung und Verschleißverhalten sind dadurch weniger kritisch als bei fluidbasierten Multistempelsystemen, was sich in niedrigeren Werkzeugkosten und längeren Wartungsintervallen niederschlägt.
Grundlage beider Werkzeugvarianten ist ein elastischer Feststoff, der durch seine hydrostatischen Eigenschaften einen gleichmäßigen Druck über die gesamte Werkzeugfläche erzeugt, unabhängig davon, ob er als eigenständiges Softtool oder als Basis eines Hartstempelwerkzeugs eingesetzt wird. Gegenüber gas- oder ölbasierten Werkzeugkonzepten entfallen Dichtelemente, die bei Prozesstemperaturen über 200 °C dauerhaft belastet werden. Das Material ist thermisch stabil, leckagesicher und wartungsarm. In der Volumenproduktion wirken sich diese Eigenschaften direkt auf Werkzeugstandzeit und Betriebskosten aus.
Das Softtoolmaterial weist zudem Dämpfungseigenschaften auf, die Druckspitzen beim Aufbau der Presskraft abfedern. Bei Hartstempelwerkzeugen, die auf dem Softtool aufgebaut sind, wirkt das Softkissen als Puffer zwischen Stempel und Bauteil und reduziert so die Gefahr von Die-Schädigungen beim Druckaufbau. Dies erhöht die Prozesssicherheit und Ausbeute.
Atmosphärentechnik und Temperaturführung
Verfügbare Prozessatmosphären sind:
Vakuumtechnik: Mit optionaler Vakuumtechnik werden Restsauerstoffgehalte unter 10 ppm erreicht.
Ameisensäure (HCOOH) in Kombination mit Vakuumtechnik zur Reduktion von Oberflächenoxiden – insbesondere relevant bei kupferbasierten Sinterpasten und Diffusionslöten
Die Temperaturführung erfolgt zweiseitig und unabhängig regelbar: Die Unterheizung erreicht bis zu 350 °C, die Oberheizung bis zu 250 °C. Die oberseitigen und unterseitigen Heizungen sind unabhängig voneinander regelbar. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung des Wärmeeintrags innerhalb des Werkstücks, um temperatursensitive Bauteile zu schützen, gleichzeitig jedoch ausreichend Aktivierungsenergie für den Sinterprozess bereitzustellen.
Modularität für flexible Linienarchitekturen
Die »SIN 50« und »SIN 100« können als Stand-alone-Prozessmodul betrieben oder mit Vorheiz- und Kühlmodulen zu einer Inline-Linie konfiguriert werden. Die Kammern sind frei mit dem Sintermodul und einer Automatisierung kombinierbar und auch nachrüstbar.