DE102005024096A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Montage elektrischer Bauteile - Google Patents

Abstract

Die Erfindung zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem gekühlten elektronischen Bauteil 1 und einem Substrat 6, wobei das Substrat 6 elektrische Leiterbahnen umfasst und das Bauteil 1 in einem ersten Schritt an einer Substratoberfläche und/oder an einer Kühlvorrichtung 5 platziert wird und in einem zweiten Schritt in einem Arbeitsgang eine elektrische Verbindung zwischen Bauteil 1 und Substratleiterbahnen sowie eine mechanische Verbindung zwischen Bauteil 1 und Kühlvorrichtung 5 realisiert wird. Weiter umfasst die Erfindung ein elektronisches Bauteil 1, insbesondere für die Leistungselektronikeinheit eines Servormotors, wobei das Bauteil zumindest teilweise so ausgebildet ist, dass es sich mit einem metallischen Bindemittel verbinden kann und ein Bindemiteldepot am Bauteilgehäuse 1 angeordnet ist, vorzugsweise mittels eines Klebemittels. DOLLAR A Vorteilhafterweise kann damit die Ableitung von Verlustwärme forciert und der Herstellungsporzess vereinfacht werden.

Description

• Die Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Montage elektrischer Bauteile gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
• Elektrische Bauteile, insbesondere Leistungshalbleiter oder digitale Schaltkreise mit hoher Taktrate, wie beispielsweise Mikroprozessoren, müssen gekühlt werden, um eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten. Zur Kühlung werden neben der Verwendung geeigneter Ventilationssysteme vorwiegend metallische Kühlkörper eingesetzt, mit denen die Bauteile so verbunden werden, dass eine optimale Wärmeabfuhr erfolgen kann. Um den Wärmeübergang optimal zu gestalten, ist es erforderlich, dass der Kontakt zwischen Bauteiloberfläche und Kühlkörperoberfläche möglichst ohne Lufteinschlüsse, d.h. möglichst plan erfolgt. Um dies zu erreichen, werden verschiedenste Methoden angewandt. Beispielsweise verwendet man Wärmeleitpaste, um den Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlkörper zu optimieren. Auch ist es möglich, die Bauteile mit den Kühlkörpern zu verschrauben, sie mittels Federkraft aufzupressen oder zu verlöten, wie es beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift JP 2003060137 A gezeigt ist. Alle gängigen Methoden haben gemeinsam, dass eine Vielzahl von Arbeitsschritten erforderlich ist, um ein zu kühlendes elektrisches Bauteil auf einer Leiterplatte zu befestigen. Zunächst muss dabei das Bauteil in mehreren Arbeitsschritten elektrisch leitfähig mit der Leiterplatte kontaktiert werden, anschließend erfolgt der Kontaktierungsvorgang mit dem Kühlkörper. Die thermische Kopplung ist trotz der genannten Maßnahmen nicht immer optimal, weil nicht immer gewährleistet ist, dass die volle Bauteilfläche vollflächig mit dem Kühlkörper verbunden ist.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine hochwertige thermische Ankopplung eines zu kühlenden elektrischen Bauteiles an einem Kühlkörper bei möglichst geringem Aufwand zu realisieren.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch das Eingangs erwähnte Verfahren und die vorzugsweise Verwendung elektrischer Bauteile entsprechend dem Vorrichtungsanspruch. Das Verfahren dient zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem in der Regel gekühlten elektronischen Bauteil und einem Substrat, wobei am Substrat elektrische Leiterbahnen angeordnet sind und das Bauteil in einem ersten Schritt an einer Substratoberfläche und/oder an einer Kühlvorrichtung platziert wird und in einem zweiten Schritt in einem Arbeitsgang eine elektrische Verbindung zwischen Bauteil und Leiterbahnen sowie eine mechanische Verbindung zwischen Bauteil und Kühlvorrichtung, vorzugsweise mittels eines Lötprozesses oder eines Niedertemperatursinterprozesses, realisiert wird. Unter einem Lötprozess werden unter anderem folgende Prozesse verstanden: Reflow-Löten mit/ohne Schutzgas, Warmluft-Löten, Infrarot-Löten oder Dampfphasen-Löten mit/ohne Schutzatmospähre, Vakuum-Löten. Das Substrat kann mittels eines Multilayeraufbaus oder einer lediglich einseitig oder zweiseitig mit Leiterbahnen versehenen Leiterplatte realisiert werden. Eine Ausdehnung auf andere Lötprozesse ist denkbar. Als Kühlvorrichtung sind vorzugsweise großflächige, beispielsweise gerippte, Kühlkörper geeignet. Die Erfindung spart Arbeitsschritte ein, indem sie alle erforderlichen Kontaktierungen für das elektrische Bauteil innerhalb eines einzigen Arbeitsganges durchführt. Zusätzlich kann mittels des Verfahrens auf Wärmeleitpaste und damit verbundene zusätzliche Arbeitsgänge verzichtet werden. Es ist ein automatisierter Prozess mit Standardanlagen realisierbar. Die thermische Anbindung wird stark verbessert und es wird durch den Verzicht auf Schrauben oder ähnliche Befestigungsmittel Bauvolumen eingespart.
• Vorzugsweise wird vor dem Herstellen der mechanischen Verbindung ein beispielsweise metallisches Bindemittel wie Lot zwischen Bauteil und Kühlvorrichtung eingebracht, um das Bindemittel gezielt lokal einzusetzen.
• Zweckmäßigerweise wird das Verfahren in Verbindung mit THT-Bauteilen (Through Hole Technologie) verwendet, wobei das Pin-in-Paste-Lötverfahren zusätzlich angewendet wird, um die elektrische Verbindung herzustellen. Dies bedeutet, dass zunächst Lotpaste aufgetragen wird, anschließend die elektrischen Anschlüsse des Bauteils eingesetzt und schließlich eine Verbindung zwischen Anschlüssen und Leiterbahnen mittels Reflow-Löten realisiert wird. Der Vorteil hiervon ist, dass eine Verlötung zusammen mit SMD-Bauteilen erfolgen kann.
• Besonders bevorzugt wird die dem gekühlten elektronischen Bauteil zugewandte Oberfläche der Kühlvorrichtung zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen, deren Schmelzpunkt über dem Schmelzpunkt des Bindemittels (z.B. Lot) liegen muss. Vorzugsweise wird eine silberhaltige Beschichtung aufgebracht. Diese Maßnahme verbessert die Stabilität des Gesamtaufbaus.
• Ganz besonders bevorzugt wird die dem gekühlten elektronischen Bauteil zugewandte Oberfläche der Kühlvorrichtung abschnittsweise mit einem bindemittelabweisenden (z.B. lotabweisenden) Material beschichtet, insbesondere mit einem Lack oder einer Folie. Dies vermeidet ein unkontrolliertes Verlaufen des Bindemittels und stellt die gewünschte Materialdicke des Bindemittels sicher.
• Vorteilhafterweise ist die Kühlvorrichtung mittels eines Aluminiumkühlkörpers oder einer Aluminiumkühlplatte realisiert, dies liefert eine sehr gute Wärmeableitcharakteristik und eine leichte Bauweise. Die alternative Verwendung von Kupfer als Grundlage wird ebenfalls empfohlen.
• Besonders empfehlenswert ist es, wenn gleichzeitig weitere Bauteile, insbesondere auch SMD-Bauteile, mit der Trägervorrichtung verbunden werden, dadurch können zusätzliche Arbeitsschritte eingespart werden und es wird die gleichzeitige Verarbeitung von Bauteilen unterschiedlichster Art realisiert.
• Zur Lösung der Aufgabe mittels des Verfahrens trägt die Verwendung eines elektronischen Bauteiles vorteilhaft bei, welches ein Bindemitteldepot direkt am Bauteil umfasst. Ein Leistungshalbleiter könnte beispielsweise schon bei der Herstellung mit einem Lötplättchen versehen werden, so dass das Anbringen von Lot beim Bestücken entfällt. Durch Aufkleben des Depots am Bauteil kann beispielsweise einem Verrutschen des Depots vorgebeugt werden.
• Vorteilhafterweise umfasst das Bindemitteldepot Lot zur Herstellung einer Lötverbindung oder Niedertemperatursintermaterial zur Herstellung einer Verbindung mittels eines Niedertemperatursinterprozesses und ist nach Maßgabe der Abmessungen des Bauteils plattenförmig ausgebildet. Die Materialstärke des Plättchens beträgt vorzugsweise bis zu 400 Mikrometer. Das Plättchen kann somit einfach zusammen mit dem Bauteil transportiert werden.
• Noch vorteilhafter ist es, wenn das Plättchen bei Verwendung von Lot als Bindemittel ein Flussmittel umfasst. Das Flussmittel dient als Löthilfsmittel, das die mit Lot zu benetzenden Oberflächen frei von Oxiden hält. Das Flussmittel reduziert (entoxidiert) die Oberfläche beim Löten und beugt der erneuten Oxidbildung vor und es verbessert während des Lötvorgangs die Fließ- und Benetzungseigenschaften, außerdem verringert es den Einschluss von Fremdstoffen. Ein weiterer Effekt ist das Verringern der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes.
• Ganz besonders bevorzugt ist das Bauteil ein Leistungshalbleiter oder ein digitaler Schaltkreis, dies verbessert die Wärmeabfuhr dieser oftmals hoch belasteten und sehr widrigen Umständen ausgesetzten Bauteile.

1

Bauteil mit lötfähiger Unterseite

2

Elektrische Anschlussbeinchen

3

Lötverbindung zum Kühlkörper

4

Lötverbindung nach dem Pin-in-Paste-Verfahren

5

Kühlvorrichtung mit lötfähiger Oberfläche

6

Leiterkarte

7

Lotabweisende Isolierfolie

8

Weitere (SMD-) Bauteile

9

Lotmitteldepot

• Die folgenden Figuren zeigen schematisch ein Bauteil mit Bindemitteldepot (1) und das Bauteil in montiertem Zustand (2).
• 1 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils 1. Zu sehen ist das Bauteil 1 mit lötfähiger Unterseite und das Bindemitteldepot 9 sowie die elektrischen Anschlussbeinchen 2. Das Bindemitteldepot 9 ist in diesem Fall auf der lötfähigen Rückseite des Bauteils 1 in Form eines Plättchens 9 angebracht und entspricht von den Abmessungen her der rechteckförmigen rückseitigen Gehäuseseite. Die Materialstärke des Plättchens ist theoretisch beliebig wählbar, je nachdem wie viel Lot zur Befestigung am Kühlkörper erforderlich ist. Vorzugsweise beträgt die Materialstärke bis zu 400 Mikrometer. In das Lotplättchen 9 ist vorzugsweise ein Flussmittel eingebettet, welches beim Lötvorgang freigesetzt wird. Das Flussmittel befindet sich entweder an der Oberfläche des Lotplättchens 9 oder innerhalb des Lotplättchens 9. Im ersteren Fall sollte das Lotplättchen vorzugsweise mit etwa 0,5 gew. % an seiner Oberfläche mit Flussmittel benetzt sein. Ein Lotplättchen 9 mit Flussmittel in seinem Inneren ließe sich beispielsweise mittels Ausrollen von Lötzinndraht mit einer Flussmittelseele realisieren. Als Material kommt vorzugsweise Lötzinn SN/PB oder SN/PB/Ag2 zum Einsatz. Das Lotplättchen 9 kann mittels eines Klebevorgangs am Bauteil 1 befestigt werden. Vorteilhafterweise wird ein geeignetes Flussmittel als Klebemittel verwendet. Als Trägermaterial für die elektronischen Schaltkreise oder Baugruppen könnte beispielsweise ein einseitig oder zweiseitig zumindest teilweise mit Kupfer kaschierter Keramikträger verwendet werden. Die Schaltkreise können mittels Bonddrähten mit der Kupferbeschichtung verbunden werden. Der gesamte Aufbau wird dann üblicherweise mittels eines geeigneten Materials, wie zum Beispiel Moldmasse oder Epoxydharz, vergossen.
• Bei dem Bauteil 1 handelt es sich in diesem Beispiel um einen Leistungshalbleiter der Steuerelektronik zur Ansteuerung eines Servomotors. Die Steuerelektronik ist in diesem Falle am Motorgehäuse angebracht, besonders wichtig ist hier die effektive Ableitung von Wärme und die Einsparung von Bauvolumen. Eine Kopplung zwischen Kühlkörper und Motorgehäuse oder eine Verwendung des Motorgehäuses selbst als Kühlkörper wäre ebenfalls denkbar.
• 2 zeigt den Querschnitt eines montierten erfindungsgemäßen Bauteils 1 auf einer Leiterplatte 6. Zu sehen ist das Bauteil 1 mit lötfähiger Unterseite, die elektrischen Anschlüsse 2, Lötverbindungen 4 auf der Leiterplatte 6, die Kühlvorrichtung 5 sowie das Bindemittel 3, eine lotabweisende Isolierfolie 7 und einige Bauteile 8. Der Aufbau ist teilweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden. Das elektronische Bauteil 1 wurde in einem ersten Schritt an der Leiterplattenoberfläche 6 bzw. an der Oberfläche der Kühlvorrichtung 5 platziert, indem die Anschlussbeinchen 4 in vorhandene Bohrungen auf der Leiterplatte eingeführt wurden. Zuvor wurden die Bohrungen derart präpariert, dass eine Lotpaste aufgetragen wurde. In einem zweiten Schritt und in einem einzigen Arbeitsgang wurde dann mittels Reflow-Löten eine elektrische Verbindung zwischen Bauteil 1 und Leiterbahnen auf der Leiterplatte 6 sowie eine mechanische Verbindung zwischen Bauteil 1 und Kühlvorrichtung 5 realisiert (Pin-in-Paste). Mittels der Lötverbindung 3 ist eine Bauteilseite fest mit dem Kühlkörper 5 verbunden, so dass ein optimaler Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper erfolgen kann. Eine lotabweisende Isolierfolie 7 dient einerseits zur Isolierung zwischen Leiterplatte 6 und Kühlkörper 5 und zusätzlich noch zur Begrenzung derjenigen Fläche am Kühlkörper 5, welche zur Herstellung der Verbindung 3 zwischen Bauteil 1 und Kühlkörper 5 dient. Die Folie 7 könnte auch durch einen Lack mit ähnlichen Eigenschaften ersetzt werden. Eine unkontrollierte Verteilung des Lotes zwischen Kühlkörper 5 und Leiterplatte 6 wird mit dieser Maßnahme vermieden. Die dem gekühlten elektronischen Bauteil 1 zugewandte Oberfläche des Kühlkörpers 5 ist zumindest teilweise mit einer lötfähigen Beschichtung versehen, deren Schmelzpunkt über dem Schmelzpunkt des Lotes 3 liegt. Vorzugsweise handelt es sich um eine Silberbeschichtung. Der Kühlkörper 5 besteht aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Aluminium. Es sind noch andere Bauteile 8 gezeigt, welche während des gleichen Arbeitsganges beim Reflow-Löten auf der Oberfläche der Leiterkarte 6 befestigt wurden. Vorzugsweise handelt es sich um SMD-Bauteile 8. Hierdurch können Arbeitsschritte eingespart werden und es wird ein Verlöten von Bauteilen 8 unterschiedlichster Art ermöglicht.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem elektronischen Bauteil (1) und einem Substrat (6), wobei das Substrat (6) elektrische Leiterbahnen umfasst und das Bauteil (1) in einem ersten Schritt an einer Substratoberfläche und/oder an einer Kühlvorrichtung (5) platziert wird und in einem zweiten Schritt in einem Arbeitsgang eine elektrische Verbindung zwischen Bauteil (1) und Leiterbahnen und eine mechanische Verbindung zwischen Bauteil (1) und Kühlvorrichtung (5) realisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Herstellen der Verbindungen ein Bindemittel (3, 9) zwischen Bauteil (1) und Kühlvorrichtung (5) eingebracht wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil ein THT-Bauteil (1) ist und wobei das Pin-in-Paste-Lötverfahren zur Herstellung der elektrischen Verbindung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Bauteil (1) zugewandte Oberfläche der Kühlvorrichtung (5) zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem elektronischen Bauteil zugewandte Oberfläche der Kühlvorrichtung (5) abschnittsweise mit einem bindemittelabweisenden Material beschichtet ist, insbesondere mit einem Lack oder einer Folie (7).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorrichtung mittels Aluminium oder Kupfer realisiert ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während dieses Arbeitsganges weitere Bauteile (8), insbesondere auch SMD-Bauteile, mit dem Substrat (6) verbunden werden.
8. Elektronisches Bauteil, insbesondere für die Leistungselektronikeinheit eines Servomotors, und zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bauteil zumindest teilweise so ausgebildet ist, so dass an ihm ein Bindemittel (3) haftet dadurch gekennzeichnet, dass ein Bindemitteldepot (9) am Bauteil angeordnet ist, vorzugsweise unter Verwendung eines Klebemittels.
9. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemitteldepot Lötmittel und Flussmittel als Klebemittel oder nur Lötmittel umfasst.
10. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemitteldepot Niedertemperatursintermaterial umfasst.
11. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemitteldepot (9) in Form eines nach Maßgabe der Abmessungen des Bauteils ausgebildeten plattenförmigen Gegenstandes realisiert ist, wobei die Materialstärke des Gegenstandes vorzugsweise bis zu 400 Mikrometer beträgt.
12. Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Leistungshalbleiter oder einen Halbleiter, der einen digitalen Schaltkreis umfasst, handelt.