DE102007037538A1

DE102007037538A1 - Baugruppe sowie Herstellung einer Baugruppe

Info

Publication number: DE102007037538A1
Application number: DE102007037538A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kalich; Daniel Wolde-Giorgis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2009-02-12
Also published as: US20100252312A1; JP2010536168A; EP2179443A1; CN101779285A; CN101779285B; US20140001244A1; US9233436B2; WO2009019091A1; US8552306B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe (1) mit einem Substrat (5) und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel (8), insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil (3). Es ist vorgesehen, dass das Sintermittel (8) in einer das Bauteil (3) zumindest bereichsweise aufnehmenden Vertiefung (7) des Substrats (5) angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil. Es ist vorgesehen, dass das Sintermittel in eine das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmende Vertiefung des Substrats eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Baugruppen sowie Verfahren zur Herstellung von Baugruppen der eingangs genannten Art bekannt. Bei der Herstellung wird das Sintermittel zunächst auf das ebene Substrat aufgebracht. Anschließend wird das Bauteil auf das Sintermittel aufgebracht beziehungsweise in das Sintermittel eingedrückt, wobei aufgrund mangelnder adhäsiver Eigenschaften eine ausreichende Vorfixierung des Bauteils nicht gewährleistet ist. Der Sinterprozess selbst erfordert eine Druckbeaufschlagung, um einen ausreichenden Kontakt der in dem Sintermittel enthaltenen Kolloide untereinander sowie zu dem Substrat und dem Bauteil zu gewährleisten. Der Druck wird dabei über einen weichen, mit bauteilspezifischen Einprägungen versehenen Silikonstempel realisiert. Durch den Stempel wird die Baugruppe. bestehend aus dem Substrat, dem Sintermittel und dem Bauteil für den Sinterprozess zueinander ausgerichtet und fixiert. Die Einprägung des Stempels erlaubt dabei eine isostatische/quasi-isostatische Druckbeaufschlagung des Bauteils. Aufgrund der schlechten adhäsiven Eigenschaften der Sinterpaste kann es jedoch geschehen, dass das Bauteil bereits vor oder beim Einleiten der Druckkraft aus seiner vorgesehenen Position verrutscht und/oder dass ein Teil des Sintermittels aus der zu fügenden Stelle herausgequetscht wird und an dem Stempel haftet, was zu einem erhöhten Ausschuss und einer Verschleppung von Sintermittel an dem Stempel führt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Sintermittel in einer das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmenden Vertiefung des Substrats angeordnet ist. Es ist also vorgesehen, dass das Substrat eine Vertiefung aufweist, die das Bauteil zumindest bereichsweise aufnimmt, wobei in der Vertiefung das Sintermittel für den Sinter- beziehungsweise Befestigungsvorgang in der Vertiefung angeordnet ist. Da sich das Bauteil nunmehr in der Vertiefung des Substrats befindet, ist es möglich das Bauteil auf dem Substrat zu positionieren, sodass dieses vor oder beim Sintervorgang nicht seine vorgesehene Position verlässt. Weiterhin wird durch die Ausbildung der Vertiefung in dem Substrat verhindert, dass das darin eingebrachte Sintermittel beim Einleiten der Druckkraft aus der zu fügenden Stelle herausgequetscht wird und/oder an dem die Druckkraft aufbringenden Stempel haftet.
Besonders bevorzugt weist dazu die Vertiefung einen Umriss auf, der im Wesentlichen der Kontur des Bauteils entspricht. Vorteilhafterweise weist die Vertiefung Bereiche (Auffangräume) auf, in die überschüssiges Sintermittel ausweichen kann, wenn die Druckkraft eingeleitet wird. Zum Aufbringen der Druckkraft wird zweckmäßigerweise ein Stempel mit einer ebenen Stempelfläche verwendet, wobei die Stempelfläche bevorzugt elastisch nachgibt, sodass eine gleichmäßige (isostatische) Druckverteilung gewährleistet ist. Die Positionierung und Ausrichtung des Bauteils wird dabei durch die Vertiefung gewährleistet.
Vorteilhafterweise ist das Sintermittel eine Silber-Sinterpaste, die zweckmäßigerweise aus chemisch stabilisierten Silber-Kolloiden besteht. Alternativ ist das Sintermittel ein Sinterfeststoff. Bei dem Fügeprozess beziehungsweise Sinterprozess werden die stabilisierenden Bestandteile der Paste ausgebrannt, sodass die Silber-Kolloide untereinander und mit dem Material des Bauteils und des Substrats in direkten Kontakt kommen. Durch festkörperdiffusive Vorgänge bildet sich bereits bei Temperaturen um 250°C eine hochtemperaturstabile Verbindung aus, die bezüglich ihrer Wärmeleitfähigkeit, Stabilität, Plastizität und Versprödung wesentlich günstigere Eigenschaften als zum Beispiel Zinn-Silber-Lotverbindungen aufweist. Die Silber-Sinterverbindung kann dabei bei wesentlich geringeren Temperaturen als ihr Schmelzpunkt verarbeitet werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Bauteil ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leitungshalbleiter, wie zum Beispiel ein MOSFET.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Substrat ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte, insbesondere ein DBC-Substrat (DBC = Direct Bonded Copper = direkt beschichtetes Kupfer), ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Sintermittel in eine das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmende Vertiefung des Substrats eingebracht. Es ist also vorgesehen, dass zunächst in die Vertiefung das Sintermittel eingebracht wird und anschließend das Bauteil, wobei das Bauteil auf das Sintermittel gelegt beziehungsweise eingedrückt wird. Natürlich wäre es auch denkbar, dass das Bauteil das Sintermittel mit sich führt.
Zum Aufbringen eines Sinter-Drucks wird vorteilhafterweise ein Stempel mit einer ebenen Stempelfläche verwendet, wobei die Stempelfläche elastisch verformbar ausgebildet ist, sodass beim Aufbringen des Sinterdrucks das Bauteil zumindest bereichsweise in den Stempel eingedrückt werden kann. Dadurch wird zum Einen gewährleistet, dass eine gleichmäßige Druckverteilung auf das Bauteil aufgebracht und ein Verschieben des Bauteils verhindert wird. Vorteilhafterweise wird hierzu ein Silikonstempel verwendet.
Wobei vorteilhafterweise die Vertiefung derart gefertigt wird, dass ihr Umriss im Wesentlichen der Kontur des Bauteils entspricht, sodass das Bauteil nicht aus der Vertiefung heraus verschoben werden kann und durch den Umriss der Vertiefung auf dem beziehungsweise an dem Substrat eindeutig ausgerichtet beziehungsweise positioniert werden kann.
Vorteilhafterweise wird als Sintermittel eine Silber-Sinterpaste verwendet, die zweckmäßigerweise Silber-Kolloide aufweist.
Weiter ist vorgesehen, dass als Bauteil ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leistungshalbleiter, wie zum Beispiel ein MOSFET oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor = Bipolartransistor mit isolierender Gate-Elektrode), verwendet wird.
Schließlich ist vorgesehen, dass als Substrat ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte verwendet wird. Hierbei wird also das Bauteil in einer Vertiefung des Stanzgitters oder der Leiterplatte angeordnet, in der zuvor das Sintermittel beziehungsweise die bevorzugte Silber-Sinterpaste eingebracht wurde. Beim Beaufschlagen des Bauteils mit dem Stempel, der vorteilhafterweise als Silikonstempel ausgebildet ist, kann die Silber-Sinterpaste beziehungsweise das Sintermittel nicht undefiniert auf das Substrat austreten, sodass zum Beispiel kein Sintermittel an dem Stempel hängen bleibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Baugruppe,
2 ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Verfahrens zur Herstellung der Baugruppe,
3 ein Substrat der Baugruppe und
4 das mit einem Bauteil bestückte Substrat der Baugruppe.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die 1 zeigt in einem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel eine vorteilhafte Baugruppe 1. Die Baugruppe 1 umfasst ein als Leistungshalbleiter 2 ausgebildetes Bauteil 3 sowie ein als Leiterplatte 4 (DBC = Direct Bonded Copper) ausgebildetes Substrat 5. In der Leistungselektronik steigen die Anforderungen an die thermischen, thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften der Aufbau- und Verbindungstechnik. Besonders die Anbindung eines Leistungshalbleiters (2) an ein Substrat (5) unterliegt heutzutage dauerhaften Temperaturbelastungen von bis zu 175°C. Heutzutage werden die meisten dieser Verbindungen über eine Lotverbindung aus einer Zinn-Silber-Legierung realisiert. Jedoch zeigen derartige Verbindungen bei höheren Temperaturen schwindende mechanische Eigenschaften, die in Wechselwirkung mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner (Substrat 5 und Bauteil 3) zu einem Kriechen des Lots und schließlich zu einer Rissbildung in der Lotschicht führen können. Darüber hinaus kann es, bedingt durch die verschiedenen Legierungsbestandteile, zur Ausbildung von spröden Phasen kommen, die diesen Prozess weiter beschleunigen. Zwar ist es denkbar, höher schmelzende Lotlegierungen zu verwenden, jedoch resultiert darauf eine gleichermaßen höhere Verarbeitungs- beziehungsweise Verbindungstemperatur. Jedoch können derartige zum Verbinden notwendige Temperaturen zur Zerstörung der zu verbindenden Bauteile führen.
Bei den sogenannten Silber-Sinterverbindungen
(Niedertemperaturverbindungstechnik), die bei wesentlich geringeren Temperaturen im Vergleich zu ihrem Schmelzpunkt erzeugt werden können, wird anstelle des oben genannten Lots ein pastenförmiges Sintermittel eingesetzt, das aus chemisch stabilisierten Ag-Kolloiden besteht.
Die vorteilhafte Baugruppe 1 erlaubt das sichere Erstellen einer Silber-Sinterverbindung, die ein einfaches Positionieren des Bauteils 3 auf dem Substrat 5 erlaubt und darüber hinaus eine Verschleppung von Sintermittel verhindert.
Das Substrat 5 weist dazu an einer Oberfläche 6 eine Vertiefung 7 auf, in die das Bauteil 3 beziehungsweise der Leistungshalbleiter 2 einbringbar ist. In der Vertiefung 7 ist ein Sintermittel 8, das als Silber-Sinterpaste 9 ausgebildet ist, angeordnet, sodass das Bauteil 3 bei der Montage auf die Silber-Sinterpaste 9 in der Vertiefung 7 aufgebracht wird.
Die 3 zeigt das Substrat 5 in einer Draufsicht auf die Oberfläche 6. Die in dem Substrat 5 ausgebildete Vertiefung 7 weist dabei einen im Wesentlichen quadratischen Umriss 10 auf, der vorteilhafterweise im Wesentlichen der Kontur des Bauteils 3/Leistungshalbleiters 2 entspricht, sodass das Bauteil 3 durch Einbringen in die Vertiefung 7 auf dem Substrat 5 positioniert und ausgerichtet wird/ist, wie in der 4 dargestellt.
Die 4 zeigt das Substrat 5 aus der 3 mit dem in die Vertiefung 7 eingebrachten Leistungshalbleiter 2 beziehungsweise Bauteil 3. Hierbei ist die Ausrichtung des Bauteils 3 auf dem Substrat 5 mittels der Vertiefung 7 zu erkennen.
Bei der Herstellung beziehungsweise Montage der Baugruppe 1 wird, wie in der 2 dargestellt, das Bauteil 3 durch einen Stempel 11 mit einer Druckkraft in Richtung des Pfeils 12 beaufschlagt. Der Stempel 11 weist eine im unbelasteten Zustand ebene Stempelfläche 13 auf, die elastisch verformbar ist, sodass beim Beaufschlagen des Bauteils 3 dieses, wie in der 2 dargestellt, bereichsweise in den Stempel 11 eingedrückt wird. Durch die elastische Ausbildung der ebenen Stempelfläche 13 ist eine quasi-isostatische Druckverteilung auf das Bauteil 3 gewährleistet. Der Stempel 11 drückt dabei die Baugruppe 1 zur Erzeugung der für den Sintervorgang notwendigen Druckkraft gegen eine Gegenplatte 14.
Die Vertiefung 7 ist vorteilhafterweise derart tief ausgebildet, dass sie eine gewünschte Menge an Sintermittel 8/Silber-Sinterpaste 9 und das Bauteil 3 zumindest bereichsweise aufnehmen kann. Dabei kann für das Substrat 5 jeder gängige Substrattyp in Frage kommen, wobei eine oberseitige Metallisierung 15 genügend dick sein muss, um bei der gewünschten Menge der Silber-Sinterpaste 9 eine ausreichende Stromtragfähigkeit realisieren zu können. Die in den 1 und 2 im Schnitt dargestellte Leiterplatte 4 weist neben der Metallisierung 15 eine weitere Metallisierung 16 auf, die auf der gegenüberliegenden Seite eines die Metallisierungen 15 und 16 tragenden Substratträgers 17 angeordnet ist. Die Metallisierungen 15, 16 sind hierbei als Leiterbahnen ausgebildet.
Durch die vorteilhafte Vertiefung 7 behält das Bauteil 3 auch beim Sintervorgang, wenn das Bauteil 3 mit der Sinter-Druckkraft beaufschlagt wird, seine Position bei. Darüber hinaus wird verhindert, dass die Silber-Sinterpaste 9 unkontrolliert auf das Substrat 5 austritt. Durch die Vertiefung 7 wird die Silber-Sinterpaste 9 in ihrer Position gehalten. Die Vertiefung 7 führt dazu, dass das Bauteil 3 trotz schlechter adhäsiver Eigenschaft der Silber-Sinterpaste 9 nur noch in dem durch den Umriss 10 der Vertiefung 7 definierten Rahmen beweglich ist. Dadurch ist das Bauteil 3 auch unter Prozessdruck optimal positioniert. Im Rahmen eines Schaltungslayouts kann daher auf ausgedehnte „Tabuzonen" verzichtet werden und eine Flächenverkleinerung des gesamten Substrats 5 realisiert werden. Darüber hinaus kann auf aufwendige Fixierungen des Bauteils 3 mittels eines schwer positionierbaren, eine dem Bauteil 3 entsprechende Einprägung aufweisenden Stempels verzichtet werden. Der in der 2 schematisch dargestellte Stempel 11 ist vorteilhafterweise als Silikonstempel ausgebildet, um die elastische Nachgiebigkeit der ebenen Stempelfläche 13 zu gewährleisten. Durch die vorgeschlagene Baugruppe 1 sowie das vorteilhafte Verfahren wird die Prozesssicherheit bei der Herstellung deutlich erhöht und somit die Serienprozesstauglichkeit gewährleistet.
Der im Wesentlichen quadratisch ausgebildete Umriss 10 der Vertiefung 7 weist, wie in den 3 und 4 dargestellt, an seinen Ecken 18 Ausbuchtungen 19, die als Auffangräume 20 dienen, auf. Je nach Herstellungsverfahren können die Ausbuchtungen 19 systemtechnisch bedingt sein. Vorteilhafterweise werden diese jedoch auch dann eingebracht, wenn dies nicht der Fall ist, um ein Einbringen des Bauteils 3 in das Substrat 5 zum Einen zu erleichtern, und zum Anderen einen Ausweichraum für überschüssiges Sintermittel 8 zu bieten. Hierdurch kann überschüssiges Sintermittel 8 beziehungsweise Silber-Sinterpaste 9 in die Auffangräume 20 entweichen, ohne dass es/sie auf die Oberfläche 6 des Substrats 5 gelangt. Anstelle der Leiterplatte 4 kann als Substrat 5 natürlich auch jedes andere Substrat, wie zum Beispiel ein Stanzgitter, verwendet werden.

Claims

Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel (8) in einer das Bauteil (3) zumindest bereichsweise aufnehmenden Vertiefung (7) des Substrats (5) angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (7) einen Umriss (10) aufweist, der im Wesentlichen der Kontur des Bauteils (3) entspricht.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel (8) eine Silber-Sinterpaste (9) oder ein Sinterfeststoff ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leistungshalbleiter (2) ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte (4) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel in eine das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmende Vertiefung des Substrats eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen eines Sinter-Drucks ein Silikonstempel mit einer ebenen Stempelfläche verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung derart gefertigt wird, dass ihr Umriss im Wesentlichen der Kontur des Bauteils entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermittel eine Silber-Sinterpaste verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leistungshalbleiter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte, insbesondere ein DBC-Substrat, verwendet wird.