Pink legt Sinteranlagen für niedrigere Prozessdrücke aus

Nicht alle Sinter- und Diffusionslötprozesse benötigen Presskräfte im Bereich klassischer Silbersinterpasten. Für Anwendungen mit geringeren Prozessdrücken hat Pink Thermosysteme die Anlagen SIN 50 und SIN 100 entwickelt. Die SIN 50 ist für Presskräfte bis 500 kN ausgelegt, die SIN 100 für bis zu 1000 kN. Beide Anlagen adressieren Prozessdrücke von 0,4 bis 20 MPa.

Der Hintergrund ist, dass sich die Bandbreite der Fügematerialien in der Leistungselektronik erweitert. Damit unterscheiden sich auch die Anforderungen an Presskraft, Atmosphäre und Temperaturführung stärker als bei klassischen Sinterprozessen.

Warum niedrigere Prozessdrücke relevant sind

Druckunterstütztes Sintern hat sich für Die-Attach-Verbindungen in der Leistungselektronik in den vergangenen Jahren als Fügeverfahren etabliert. Gegenüber konventionellen Lötverbindungen lassen sich damit höhere Werte bei thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit in Temperaturwechsel- und Lastwechseltests erreichen. Die erforderlichen Prozessdrücke unterscheiden sich jedoch deutlich – abhängig von Pastenformulierung, Substrat und Fügeverfahren.

Die SIN 200 erreicht Presskräfte bis 2000 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 erforderlich. Das wirkt sich auf Anlagengewicht, Anschaffungskosten und Aufstellfläche aus. Die Anlagen SIN 50 und SIN 100 sind deshalb für niedrigere Druckbereiche ausgelegt.

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Welche Anwendungen SIN 50 und SIN 100 adressieren

Drei Anwendungsbereiche definieren den typischen Einsatzbereich der Anlagen:

• Diffusionslöten (TLPS – Transient Liquid Phase Sintering): Dieses Fügeverfahren kombiniert die Verarbeitbarkeit konventionellen Lötens mit der Hochtemperaturfestigkeit gesinterter Verbindungen. Ein Beispiel ist PFDS400 von PFARR Stanztechnik, ein Preform-basiertes Mehrschichtsystem aus bleifreiem Zinnlot und Kupferlage. Bei etwa 250 °C entstehen intermetallische Phasen mit einer Schmelztemperatur von mehr als 400 °C. Der Prozessdruck liegt je nach System bei 0,4 bis 5 MPa. Sinteranlagen, wie sie für klassische Silbersinterpasten erforderlich sind, sind für diesen Prozess meist größer dimensioniert als notwendig.
• Neuere Sinterpasten: Eine wachsende Zahl moderner Formulierungen, darunter kupferbasierte Pasten und druckoptimierte Silbersysteme, ist bereits bei 10 bis 20 MPa prozessierbar. Damit sinkt der Bedarf an hohen Presskräften gegenüber klassischen Sinterprozessen.
• Sintern von Die-Attach-Verbindungen diskreter Bauelemente: Bei diesen Anwendungen erfordert die Leadframe-Geometrie häufig geringere Kräfte.

Die SIN 50 deckt einen Kraftbereich bis 500 kN ab, die SIN 100 bis 1000 kN. Beide Anlagen sind auf eine maximale Prozessfläche von 350 × 300 mm beziehungsweise 105.000 mm² ausgelegt.

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Wie Antrieb und Regelung ausgelegt sind

Der Antrieb ist auf den jeweiligen Kraftbereich dimensioniert. Gegenüber der SIN 200 reduzieren sich Anlagengewicht und Anschaffungspreis. Zudem ist die Stellfläche kleiner; das Sintermodul misst bei beiden Anlagen 1.360 mm × 1.994 mm (Breite × Tiefe). Das geringere Gewicht und die reduzierte Stellfläche können die Aufstellung vereinfachen, insbesondere an Standorten mit begrenzter Deckenlast.

Die Regelarchitektur des Sinterantriebs entspricht der SIN 200. Kraft-Weg-Überwachung, aktive Kraftregelung, Kraftrückhalteregelung während des Prozesses sowie Positionssteuerung des Pressstempels sind in beiden Systemen implementiert. Auflagekraft, Vorhaltezeit und Temperaturprofil sind frei programmierbar und werden prozessbegleitend aufgezeichnet.

Welche Werkzeugoptionen verfügbar sind

Die SIN 50 und SIN 100 sind mit einem rechteckigen Softtool ausgestattet, das als Basis für zwei weitere Werkzeugoptionen dient:

• Hartstempelwerkzeug mit automatischer Ausrichtung: Die Selbstjustage kompensiert Parallelitätsabweichungen der Substrat- und Bauteiloberflächen und unterstützt eine homogene Druckverteilung über die Prozessfläche. Das ist relevant bei Bauteilen mit engen Toleranzanforderungen sowie 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 zugrunde liegende Softtool unterstützt dabei eine gleichmäßige Druckverteilung unabhängig von Dicken- und Höhentoleranzen. Der Multistempelaufsatz ist vom Nutzer tauschbar, wodurch sich Produktdesigns wechseln lassen.

Die Krafterzeugung im Werkzeug erfolgt ohne Hochdruckmedium. Weder Druckgas noch Öl werden im Werkzeug selbst eingesetzt. Dadurch sind Abdichtung und Verschleißverhalten weniger kritisch als bei fluidbasierten Multistempelsystemen. Da keine fluidbasierten Dichtelemente erforderlich sind, reduziert sich die Zahl temperaturbelasteter Verschleißstellen.

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Grundlage beider Werkzeugvarianten ist ein elastischer Feststoff, der durch seine hydrostatischen Eigenschaften einen gleichmäßigen Druck über die Werkzeugfläche erzeugt. Dies gilt sowohl beim Einsatz als eigenständiges Softtool als auch als Basis eines Hartstempelwerkzeugs. Gegenüber gas- oder ölbasierten Werkzeugkonzepten entfallen Dichtelemente, die bei Prozesstemperaturen über 200 °C dauerhaft belastet werden.

Das Softtoolmaterial weist zudem Dämpfungseigenschaften auf, die Druckspitzen beim Aufbau der Presskraft abfedern. Bei Hartstempelwerkzeugen, die auf dem Softtool aufbauen, wirkt das Softkissen als Puffer zwischen Stempel und Bauteil. Das kann die mechanische Belastung der Dies während des Druckaufbaus verringern.

Welche Atmosphären und Temperaturen möglich sind

Verfügbare Prozessatmosphären sind:

• Vakuumtechnik: Mit optionaler Vakuumtechnik werden Restsauerstoffgehalte unter 10 ppm erreicht.
• Ameisensäure (HCOOH) in Kombination mit Vakuumtechnik: Diese Option dient der Reduktion von Oberflächenoxiden und ist insbesondere bei kupferbasierten Sinterpasten und beim Diffusionslöten relevant.

Die Temperaturführung erfolgt zweiseitig und unabhängig regelbar. Die Unterheizung erreicht bis zu 350 °C, die Oberheizung bis zu 250 °C. Ober- und Unterheizung lassen sich getrennt einstellen. Dadurch kann der Wärmeeintrag innerhalb des Werkstücks gezielt gesteuert werden, um temperatursensitive Bauteile zu berücksichtigen und zugleich 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 mit dem Sintermodul und einer Automatisierung kombinierbar und können nachgerüstet werden. Die Anlagen wurden auf der productronica 2025 in München vorgestellt; auf der PCIM Europe 2026 in Nürnberg zeigte Pink die SIN 50 mit Anwendungen für Diffusionslöten und kupferbasiertes Sintern.