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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Leiterplattenanordnung sowie nach solchen Verfahren hergestellte Leiterplattenanordnungen.
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Es ist bekannt, als elektrische Module ausgebildete leiterplattenbasierte Leistungselektronikbaugruppen an der Unterseite einer Leiterplatte anzuordnen. Dabei herrschen in einem zwischen den elektrischen Modulen und der Leiterplatte ausgebildeten Spalt hohe elektrische Feldstärken, die zu Oberflächen- oder Teilentladungen führen können, die wiederum eine Degradation des Leiterplattenmaterials bewirken können. Daher ist es bekannt, ein Underfillmaterial in den Spalt zwischen dem elektrischen Modul und der Leiterplatte zu applizieren, um Teilentladungen zu vermeiden und Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken einzuhalten. Der damit verbundene Underfillprozess ist allerdings aufwendig und kann mit Problemen verbunden sein, wenn die elektrischen Module auf der Leiterplatte verkippt sind und/oder der zu befüllende Spalt verunreinigt ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Module an ihrer Oberseite elektrische Kontaktflächen ausbilden, die unterschiedliche Größen aufweisen. So weisen beispielsweise die elektrischen Kontaktflächen für einen Drain-Anschluss, einen Gate-Anschluss und einen Source-Anschluss alle eine unterschiedliche Größe auf bzw. nehmen solche Kontaktflächen eine unterschiedliche Fläche ein. Da die Kontaktflächen eine unterschiedliche Fläche einnehmen, werden sie mit einer unterschiedlichen Menge an Lotmaterial mit entsprechenden Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte verbunden. Die unterschiedlichen Mengen an Lotmaterial können zu einer unterschiedlichen Dicke der Lotverbindungen und damit zu einem unerwünschten Verkippen der elektrischen Module führen oder eine Verkippung verstärken. Dies kann wie erläutert den Underfillprozess negativ beeinflussen und ist im Übrigen im Hinblick auf eine effektive thermische Anbindung der elektrischen Module an einen Kühlkörper zu vermeiden.
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Hinzu kommt folgendes: selbst wenn die Lotverbindungen der einzelnen Kontaktflächen die gleiche Dicke besitzen, so verhält es sich doch so, dass die größeren Kontaktflächen und die diese verbindende größere Menge an Lotmaterial sich stärker erwärmen als kleinere Kontaktflächen und die diese verbindende kleinere Menge an Lotmaterial. Die dabei entstehenden Temperaturgradienten können die Qualität der Lotverbindungen negativ beeinflussen, insbesondere zu Voids im Lotmaterial führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung anzugeben, bei denen die Gefahr einer Verkippung der elektrischen Module an der Unterseite der Leiterplatte reduziert ist und Lotverbindungen möglichst porenfrei bereitgestellt werden. Des Weiteren sollen entsprechende Leiterplattenanordnungen bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13, eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 18, eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 und eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplattenanordnung. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen einer Leiterplatte, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei an der Unterseite eine Mehrzahl erster elektrischer Kontaktflächen unterschiedlicher Größe angeordnet ist,
- - Bereitstellen eines elektrischen Moduls, das an seiner Oberseite eine Mehrzahl zweiter elektrischer Kontaktflächen unterschiedlicher Größe aufweist,
- - Anordnen einer Schablone auf den ersten elektrischen Kontaktflächen oder auf den zweiten elektrischen Kontaktflächen, wobei die Schablone zumindest eine der ersten oder zweiten elektrischen Kontaktflächen über Stege, in deren Bereich kein Lotmaterial auf die elektrische Kontaktfläche appliziert werden kann, in kleinere beabstandete elektrische Teilflächen unterteilt,
- - Applizieren eines Lotmaterials auf die elektrischen Kontaktflächen, auf denen die Schablone angeordnet ist, wobei auf die elektrischen Teilflächen Lotmaterial aufgebracht wird,
- - Entfernen der Schablone, und
- - Verlöten der ersten elektrischen Kontaktflächen der Leiterplatte mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen des elektrischen Moduls, wobei jeweils erste und zweite elektrische Kontaktflächen mit entsprechender Größe über Lotverbindungen miteinander verbunden werden.
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Dabei ist weiter vorgesehen, dass im Bereich von Aussparungen, in denen zuvor die Stege der Schablone angeordnet waren, kein Lotmaterial vorhanden ist, so dass mindestens einer der Lotverbindungen Teilbereiche bildet und in den Teilbereichen eine elektrische Verbindung bereitstellt.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die jeweilige Lotverbindung zu strukturieren und in kleinere Teilbereiche zu unterteilen. Hierzu weist die Schablone Stege auf, die die elektrische Kontaktfläche in Teilflächen untergliedert. Nach Befüllen mit Lotmaterial und Entfernen der Schablone befinden sich in den Bereichen, in denen die Stege der Schablone angeordnet waren, Aussparungen, die das Lotmaterial in Teilbereiche unterteilen. Beim Verbinden der jeweiligen elektrischen Kontaktflächen von elektrischen Module und Leiterplatte erfolgt eine Verbindung nur im Bereich der Teilbereiche. Durch die Bereitstellung kleinerer Teilabschnitte auf zumindest einer der Kontaktflächen und dementsprechend auch kleinerer Mengen von Lotmaterial für die einzelnen Teilabschnitte wird die Gefahr einer Verkippung des elektrischen Moduls an der Unterseite der Leiterplatte reduziert. Durch die Bereitstellung kleinerer mit Lotmaterial versehener Teilabschnitte wird des Weiteren vermieden, dass größere Lotverbindungen vorliegen, die zu Temperaturgradienten führen, wodurch die Gefahr einer Bildung von Voids beim Löten bzw. während der Aufheizphase im Lötprozess reduziert wird.
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Ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass durch die Bereitstellung kleinerer Teilabschnitte, die jeweils mit Lotmaterial versehen werden, das Lotmaterial homogener in den einzelnen, kleineren Teilabschnitten aufgetragen werden kann. Damit ist es auch möglich, den Spalt zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte insgesamt kleiner auszubilden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das Merkmal, dass jeweils erste elektrische Kontaktflächen und zweite elektrische Kontaktflächen „mit entsprechender Größe“ miteinander verbunden werden, dahingehend zu verstehen sind, dass erste und zweite elektrische Kontaktflächen miteinander verbunden werden, die die gleiche oder eine ähnliche Fläche aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass es sich typischerweise so verhält, dass die elektrischen Kontaktflächen auf der Oberseite des elektrischen Moduls und die elektrischen Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte im Wesentlichen die gleiche Form aufweisen. Es ist aber nicht erforderlich, dass die jeweiligen Kontaktflächen exakt identisch sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte etwas größer ausgebildet sind als die zugehörigen elektrischen Kontaktflächen an der Oberseite des elektrischen Moduls.
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Es wird weiter darauf hingewiesen, dass in der verwendeten Terminologie die Seite der Leiterplatte, an der die elektrischen Module angeordnet sind, als Unterseite bezeichnet wird, unabhängig von der tatsächlichen räumlichen Orientierung der Leiterplatte und der elektrischen Module.
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Bei der Schablone handelt es sich beispielsweise um eine Schablone, die aus einem einzigen Teil, z.B. Blechteil gebildet ist, das Öffnungen aufweist und zwischen den Öffnungen die Stege ausbildet, in deren Bereich die elektrischen Kontaktflächen nicht mit Lotmaterial benetzbar sind. Natürlich kann das Blechteil darüber hinaus auch großflächige Bereiche aufweisen, die durchgehend ausgebildet sind und großflächig vor der Applikation von Lotmaterial schützen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schablone auf die ersten elektrischen Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte aufgebracht wird. Alternativ wird die Schablone auf die zweiten elektrischen Kontaktflächen an der Oberseite des elektrischen Moduls aufgebracht. Für die vorliegende Erfindung ist es grundsätzlich unerheblich, ob die Schablone auf die Unterseite der Leiterplatte oder die Oberseite des elektrischen Moduls aufgebracht wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die ersten und zweiten elektrischen Kontaktflächen jeweils ein Lotpad für einen Source-Anschluss, ein Lotpad für einen Drain-Anschluss und ein Lotpad für einen Gate-Anschluss aufweisen, wobei bei den ersten oder zweiten elektrischen Kontaktflächen, die mit der Schablone bedeckt sind,
- - das Lotpad für den Source-Anschluss durch die Stege in zwei oder vier oder acht elektrische Teilflächen unterteilt ist, und/oder
- - das Lotpad für den Drain-Anschluss durch die Stege in zwei oder vier elektrische Teilflächen unterteilt, und/oder
- - das Lotpad für den Gate-Anschluss ohne Teilflächen ausgebildet ist oder in zwei Teilflächen unterteilt ist.
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Hintergrund dieser Ausgestaltung ist, dass die Lotpads für den Source-Anschluss, den Drain-Anschluss und den Gate-Anschluss eine unterschiedliche Größe aufweisen. Dementsprechend ist vorgesehen, dass die einzelnen Lotpads entsprechend ihrer Größe mittels der Schablone in eine größere oder kleinere Anzahl von Teilflächen unterteilt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die elektrischen Kontaktflächen beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem anderen Metall bzw. einer anderen Metalllegierung bestehen.
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Es wird weiter darauf hingewiesen, dass unter einem Source-Anschluss, Drain-Anschluss und Gate-Anschluss im Sinne der vorliegenden Offenbarung die Anschlüsse z.B. eines MOSFETs oder eines IGBTs bezeichnet werden, auch wenn die Anschlüsse eines IGBT genau genommen als Emitter, Kollekter und Gate bezeichnet werden. Der Begriff Source-Anschluss umfasst also auch einen IGBT Emitter-Anschluss und der Begriff Drain-Anschluss umfasst auch einen IGBT Kollektor-Anschluss.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schablone kreuzförmig verlaufende Stege aufweist. Auch kann vorgesehen sein, dass die Schablone parallel verlaufenden Stege aufweist. Durch in dieser Weise ausgebildete Stege wird die Kontaktfläche, die durch die Schablone bedeckt ist, in rechteckige Teilflächen unterteilt.
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Eine konkrete Ausgestaltung sieht beispielhaft vor, dass die Schablone im Bereich des Lotpads für den Source-Anschluss einen längs verlaufenden mittigen Steg ausbildet, der das Lotpad in einen gleich großen oberen und unteren Bereich aufteilt, sowie ein oder mehrere senkrecht zu dem mittigen Steg verlaufende Stege ausbildet. Je nach der Anzahl der senkrecht zu dem mittigen Steg verlaufenden Stege können 4, 6, 8, 10 etc. Teilflächen gleicher Größe bereitgestellt werden.
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Allgemein gilt, dass die Schablone in Ausgestaltungen derart ausgebildet ist, dass die durch die Stege gebildeten Teilflächen der jeweiligen elektrischen Kontaktfläche die gleiche Größe aufweisen, um eine homogene Gesamtstrukturierung vorzunehmen und die Gefahr eines Verkippens zu minimieren.
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Durch die Bereitstellung von Stegen, die die elektrischen Kontaktflächen teilweise abdecken, so dass das Lotmaterial nur auf Teilflächen aufgebracht werden kann, wird nur auf einen Teilbereich der jeweiligen elektrischen Kontaktfläche Lotmaterial appliziert. Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Stege eine Fläche im Bereich zwischen 8% und 35 % der Gesamtfläche der jeweiligen elektrischen Kontaktfläche einnehmen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Stege bei den Lotpads für den Source-Kontakt, den Drain-Kontakt und den Gate-Kontakt eine prozentual unterschiedlich große Fläche einnehmen. Ein Ausführungsbeispiel hierzu sieht vor, dass
- - die Stege im Bereich des Lotpads für den Source-Anschluss eine Fläche im Bereich zwischen 1 1% und 33% der Gesamtfläche des Lotpads einnehmen, und/oder
- - die Stege im Bereich des Lotpads für den Drain-Anschluss eine Fläche im Bereich zwischen 9,5 % 28 % der Gesamtfläche des Lotpads einnehmen, und/oder
- - die Stege im Bereich des Lotpads für den Gate-Anschluss eine Fläche im Bereich zwischen 0 % und 25% der Gesamtfläche des Lotpads einnehmen.
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Die Schablone weist beispielsweise eine Höhe im Bereich zwischen 80 µm und 500 µm auf, so dass das Lotmaterial mit einer entsprechenden Höhe auf die elektrische Kontaktfläche aufgetragen wird. Die Höhe der Schablone und damit des Lotmaterials liegt beispielsweise bei 200 µm oder 400 µm. Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass die Schablone eine Höhe von etwa 400 µm aufweist, wenn Sie auf die Unterseite der Leiterplatte aufgebracht wird, und eine Höhe von etwa 200 µm aufweist, wenn Sie auf die Oberseite des elektrischen Moduls aufgebracht wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Lotmaterial in Form von Lotbällen aufgebracht wird, wobei es beispielsweise auf der Oberseite des elektrischen Moduls in Form von Lotbällen aufgebracht wird. Hierdurch wird die Menge des erforderlichen Lotmaterials und damit auch der erforderlichen Flussmittel reduziert.
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Natürlich kann alternativ und gewissermaßen als Regelfall vorgesehen sein, dass das Lotmaterial flächig im gesamten Bereich der jeweiligen Teilfläche in der Höhe Schablone aufgetragen wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Löten als Dampfphasenlöten ausgeführt wird. Beim Dampfphasenlöten wird die zu lötende Anordnung in einen heißen Dampf getaucht, der die erforderliche Wärme auf das Lotmaterial überträgt, das daraufhin schmilzt. Das Dampfphasenlöten erlaubt eine effiziente Wärmeübertragung auf das Lotmaterial. Alternativ erfolgt das Löten mittels Reflowlöten.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt wird ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer Leiterplattenanordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen einer Leiterplatte, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei an der Unterseite eine Mehrzahl erster elektrische Kontaktflächen unterschiedlicher Größe angeordnet sind,
- - Bereitstellen eines elektrischen Moduls, das an seiner Oberseite eine Mehrzahl zweiter elektrischer Kontaktflächen aufweist,
- - Applizieren eines Noflow-Underfillmaterials auf die ersten elektrischen Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte,
- - Applizieren von Lotmaterial auf die zweiten elektrischen Kontaktflächen auf der Oberseite des elektrischen Moduls, wobei das Lotmaterial in Form von Lotbällen appliziert wird, und
- - Verlöten der ersten elektrischen Kontaktflächen des elektrischen Moduls mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen der Leiterplatte, wobei ein Spalt zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte mit dem Noflow-Underfillmaterial gefüllt wird.
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Dieser Erfindungsaspekt beruht auf dem Gedanken, dass Löten der elektrischen Kontaktflächen und die Ausbildung eines Underfillmaterials in einem kombinierten Schritt vorzunehmen. Dabei schmilzt das Noflow-Underfillmaterial beim Löten auf und füllt dieses die Hohlräume im Spalt zwischen der Unterseite der Leiterplatte und der Oberseite des elektrischen Moduls aus. Anschließend härtet das Noflow-Underfillmaterial aus. Zur Ausführung des Verfahrens wird das elektrische Modul mit einzelnen Lotpadstrukturen, nämlich Lotmaterial in Form von Lotbällen, vorbelotet.
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Durch die Verwendung eines kombinierten Löt- und Underfillverfahrens werden Prozessschritte und Prozesszeit eingespart. Auch wird der Leiterplatten-Reinigungsprozess vereinfacht, da es nicht erforderlich ist, nach Herstellung der Lotverbindungen den Spalt zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte gesondert zu reinigen. Damit kann auch das Design des elektrischen Moduls vereinfacht werden bzw. es bestehen mehr Freiheiten bei der Festlegung der Lotpadgeometrie, da diese keinen Einfluss auf den Waschprozess und den Underfill-Fließprozess besitzt. Weiter kann die Gefahr der Entstehung von Blasen bzw. Voids in der Lotverbindung reduziert werden, da das Lotmaterial nicht großflächig auf die Kontaktflächen aufgebracht wird, sondern punktuell an Lotpadstrukturen bereitgestellt wird.
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Noflow-Underfillmaterialien sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Sie besitzen die die Eigenschaft, erst während des Reflow-Prozesses oder Dampfphasenlötens auszuhärten. Dabei enthalten sie eingebaute Flussmittel. Noflow-Underfillmaterialien sind auch reworkfähig, so dass der Underfill und das elektrische Modul durch ein erneutes Aufheizen wieder entfernt werden können. Dies erlaubt eine punktuelle Nacharbeitbarkeit an vereinzelten Prepackage-Positionen auf der Leiterplatte.
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Ein weiterer Vorteil von Noflow-Underfillmaterialien besteht darin, dass sie weitgehend frei von Voids sind, so dass ein blasenfreies Aushärten möglich ist.
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Ein Beispiel für ein bekanntes für die vorliegende Erfindung verwendbares Noflow-Underfillmaterial ist das Material NF260 der Firma in Indium Corporation of America.
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Eine Ausgestaltung dieser Erfindungsvariante sieht vor, dass die ersten elektrischen Kontaktflächen ein Lotpad für einen Source-Anschluss, ein Lotpad für einen Drain-Anschluss und ein Lotpad für einen Gate-Anschluss aufweisen. Die zweiten elektrischen Kontaktflächen auf der Oberseite des elektrischen Moduls bilden eine Mehrzahl von ersten kreisförmigen Lotpads den Drain-Anschluss, eine Mehrzahl von zweiten kreisförmigen Lotpads den Source-Anschluss und eine Mehrzahl von dritten kreisförmigen Lotpads den Gate-Anschluss. Die jeweiligen Anschlüsse werden somit durch eine Vielzahl kreisförmiger Lotpads bereitgestellt.
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Dabei ist weiter vorgesehen, dass auf den kreisförmigen Lotpads jeweils ein Lotball appliziert wird, bevor der Schritt des Verlötens stattfindet. Das elektrische Modul wird somit mit Lotbällen, die auf die kreisförmigen Lotpads aufgebracht sind, vorbelotet.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht dabei vor, dass die gesamte Oberseite des elektrischen Moduls mit - beispielsweise äquidistant gemäß einem Raster angeordneten - kreisförmigen Lotpads versehen ist, wobei allerdings nicht alle der kreisförmigen Lotpads mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagt sein müssen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass diejenigen kreisförmigen Lotpads und zugehörigen Lotbälle, die nicht eine elektrische Kontaktfläche an der Unterseite der Leiterplatte kontaktieren, nicht mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagt sind. Die elektrische Beaufschlagung nur einiger der Lotpads kann auch dazu dienen, Isolationsanforderungen an das Underfill zu erfüllen.
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Durch die Bereitstellung von Lotpads an der gesamten Oberseite des elektrischen Moduls wird erreicht, dass homogene und kleine Underfill-Volumina zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte gebildet werden. Hierdurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer Blasenbildung. Auch wird die Gefahr einer Verkippung des elektrischen Moduls an der Unterseite der Leiterplatte reduziert.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Leiterplattenanordnung, die durch das Verfahren nach Anspruch 1 oder durch das Verfahren nach Anspruch 13 hergestellt worden ist.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Leiterplattenanordnung, die aufweist:
- - eine Leiterplatte, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei an der Unterseite eine Mehrzahl erster elektrische Kontaktflächen unterschiedlicher Größe angeordnet sind,
- - mindestens ein elektrisches Modul, das an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist,
- - wobei das elektrische Modul an seiner Oberseite eine Mehrzahl zweiter elektrischer Kontaktflächen unterschiedlicher Größe aufweist, die elektrisch mit den ersten elektrischen Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte verbunden sind, wobei jeweils erste und zweite elektrische Kontaktflächen mit entsprechender Größe miteinander verbunden sind,
- - wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den ersten elektrischen Kontaktflächen und den zweiten elektrischen Kontaktflächen jeweils eine Lotverbindung umfassen.
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Dabei ist weiter vorgesehen, dass zumindest eine der Lotverbindungen in Teilbereiche unterteilt ist, die durch eine oder mehrere kanalartige Aussparungen im Lotmaterial voneinander getrennt sind.
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Diese Leiterplattenanordnung korrespondiert mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 führt zu einer Leiterplattenanordnung mit in Teilbereiche unterteilten Lotverbindungen zwischen den elektrischen Kontaktflächen von elektrischen Modul und Leiterplatte. Die mit einer solchen Leiterplattenanordnung verbundenen Vorteile entsprechen denen des Verfahrens nach Anspruch 1.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Leiterplattenanordnung, die aufweist:
- - eine Leiterplatte, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei an der Unterseite eine Mehrzahl erster elektrische Kontaktflächen unterschiedlicher Größe angeordnet sind,
- - mindestens ein elektrisches Modul, das an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist,
- - wobei das elektrische Modul an seiner Oberseite eine Mehrzahl zweiter elektrischer Kontaktflächen aufweist, die elektrisch mit den ersten elektrischen Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte verbunden sind,
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Es ist weiter vorgesehen, dass die zweiten elektrischen Kontaktflächen eine Mehrzahl von ersten kreisförmigen Kontaktflächen aufweist, die zusammen einen Source-Anschluss bilden, eine Mehrzahl von zweiten kreisförmigen Kontaktflächen aufweist, die zusammen einen Drain-Anschluss bilden, und eine Mehrzahl von dritten kreisförmigen Kontaktflächen aufweist, die zusammen einen Gate-Anschluss bilden. Weiter ist vorgesehen, dass die kreisförmigen Kontaktflächen jeweils mittels einer Lotverbindung bzw. eines Lotballs mit einer der ersten elektrischen Kontaktflächen verbunden sind, wobei die Lotverbindungen in einem Spalt zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte verlaufen. Schließlich ist weiter vorgesehen, dass der Spalt zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte mit einem Noflow-Underfillmaterial gefüllt ist.
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Diese Leiterplattenanordnung korrespondiert mit dem Verfahren gemäß Anspruch 13. Das Verfahren gemäß Anspruch 13 führt zu einer Leiterplattenanordnung mit einem Noflow-Underfillmaterial im Spalt zwischen dem elektrischen Modul und der Leiterplatte. Die mit einer solchen Leiterplattenanordnung verbundenen Vorteile entsprechen denen des Verfahrens nach Anspruch 13.
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Das elektrische Modul ist in allen Ausgestaltungen der Erfindung beispielhaft derart ausgebildet, dass es folgendes umfasst:
- - einen keramischen Schaltungsträger, der eine isolierende Keramikschicht und eine auf der Oberseite der Keramikschicht angeordnete obere Metallisierungsschicht aufweist, und
- - ein elektrisches Bauelement, das auf dem keramischen Schaltungsträger angeordnet ist,
- - wobei das elektrische Bauelement über die zweiten elektrischen Kontaktflächen des elektrischen Moduls elektrisch kontaktiert wird.
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Bei einer solchen Ausgestaltung dient der keramische Schaltungsträger der elektrischen Isolation des elektrischen Bauelements zu einem Kühlkörper und gleichzeitig der thermischen Anbindung an den Kühlkörper. Bei dem elektrischen Bauelement handelt es sich beispielsweise um den eigentlichen Leistungshalbleiter wie z.B. einen Leistungs-MOSFETs oder ein IGBT-Bauteil. Der keramische Schaltungsträger bildet zusammen mit dem Halbleiterbauelement und einer Umhüllung z.B. aus einem Vergussmaterial oder einem Leiterplattenmaterial das elektrisches Modul. Dieses ist über die oberen elektrischen Kontaktflächen mit der Leiterplatte verbunden. Ein solches elektrisches Modul wird auch als Prepackage-Modul bezeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf die Unterseite einer Leiterplatte, auf der eine Mehrzahl erster elektrischer Kontaktflächen ausgebildet ist, wobei die Kontaktflächen mittels Stegen einer Schablone in Teilflächen unterteilt sind, wobei zwei der Kontaktflächen in jeweils zwei Teilflächen unterteilt sind;
- 2 eine Draufsicht auf die Unterseite einer Leiterplatte, auf der eine Mehrzahl erster elektrischer Kontaktflächen ausgebildet ist, wobei die Kontaktflächen mittels Stegen einer Schablone in Teilflächen unterteilt sind, wobei eine der Kontaktflächen in zwei Teilflächen, eine der Kontaktflächen in vier Teilflächen und eine der Kontaktflächen in acht Teilflächen unterteilt ist;
- 3 eine Draufsicht auf die Unterseite einer Leiterplatte, auf der eine Mehrzahl erster elektrischer Kontaktflächen ausgebildet ist, wobei die Kontaktflächen mittels Stegen einer Schablone in Teilflächen unterteilt sind, wobei eine der Kontaktflächen in zwei Teilflächen und eine der Kontaktflächen in vier Teilflächen unterteilt ist;
- 4 eine Draufsicht auf die Oberseite eines elektrischen Moduls, auf der eine Mehrzahl zweiter elektrischer Kontaktflächen ausgebildet ist, wobei die Kontaktflächen mittels Stegen einer Schablone in Teilflächen unterteilt sind, wobei eine der Kontaktflächen in zwei Teilflächen und eine der Kontaktflächen in vier Teilflächen unterteilt ist;
- 5 das elektrische Modul der 4, wobei auf die Teilflächen jeweils Lotmaterial aufgebracht worden ist;
- 6 eine Schnittdarstellung des elektrischen Moduls der 5;
- 7 die Schnittdarstellung der 6, wobei das Lotmaterial nach einem Reflow-Löten Lothöcker bildet;
- 8 schematisch in einer Ansicht von oben und in einer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls, das auf seiner Oberseite eine Mehrzahl kreisförmiger elektrische Kontaktflächen ausbildet, die jeweils mit einem Lotball versehen sind;
- 9 ein elektrisches Modul entsprechend der 8, wobei auf der gesamten Oberseite des elektrischen Moduls kreisförmige elektrische Kontaktflächen ausgebildet sind;
- 10A-D eine Abfolge zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung mit elektrischen Modulen entsprechend den 8 oder 9, wobei ein Noflow-Underfillmaterial zum Verfüllen eines Spaltes zwischen dem elektrischen Modul und einer Leiterplatte eingesetzt wird;
- 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung;
- 12 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung;
- 13 beispielhaft den Aufbau eines elektrischen Moduls, das an der Unterseite einer Leiterplatte angeordnet ist;
- 14 eine Draufsicht auf die elektrischen Kontaktflächen eines elektrischen Moduls gemäß der 13, wobei die elektrischen Kontaktflächen ein Kontaktpad für einen Source-Anschluss, ein Kontaktpad für einen Drain-Anschluss und ein Kontaktpad für einen Gate-Anschluss umfassen; und
- 15 die Unterseite einer Leiterplatte, die zur Anordnung von elektrischen Modulen gemäß der 13 vorgesehen ist und hierzu elektrische Kontaktflächen ausbildet.
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Zunächst wird zum besseren Verständnis der Hintergrund der vorliegenden Erfindung anhand der 13 bis 15 beschrieben.
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Die 13 zeigt eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte 1, ein elektrisches Modul 2 und einen Kühlkörper 35 umfasst. Die Leiterplatte 1 umfasst eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12. An der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 sind eine Mehrzahl von ersten elektrischen Kontaktflächen 4 zur Kontaktierung des elektrischen Moduls 2 vorgesehen.
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Das elektrische Modul 2 umfasst einen keramischen Schaltungsträger 230, der eine isolierende Keramikschicht 23, eine auf der Oberseite der Keramikschicht 23 angeordnete obere Metallisierungsschicht 24 und optional eine auf der Unterseite der Keramikschicht 23 angeordnete untere Metallisierungsschicht 25 aufweist. Auf der oberen Metallisierungsschicht 24 ist ein elektrisches Bauelement 26 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen Leistungshalbleiter handelt.
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Der keramischen Schaltungsträger 230 und das elektrische Bauelement 26 sind in einem Substrat 28 angeordnet, das die Außenmaße des elektrischen Moduls 2 definiert. Bei dem Substrat 28 handelt es beispielsweise um eine Vergussmasse oder ein Leiterplattenmaterial, in die/das der keramischen Schaltungsträger 230 und das elektrische Bauelement 26 eingebettet sind. Das Substrat 28 umfasst eine Oberseite 21, die auch die Oberseite des elektrischen Moduls 2 bildet. Eine Unterseite des Substrats 28 verläuft bündig mit der unteren Metallisierungsschicht 25. Die Unterseite des Substrats 26 und die untere Metallisierungsschicht 25 bilden die Unterseite 22 des elektrischen Moduls 2. Insgesamt ist das elektrische Modul 2 quaderförmig ausgebildet.
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Die Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2 weist eine Mehrzahl von zweiten elektrischen Kontaktflächen 5 auf, die dazu dienen, die entsprechende ersten elektrischen Kontaktflächen 4 der Leiterplatte 1 zu kontaktieren. Dies erfolgt beispielsweise über eine Oberflächenmontage. Die elektrischen Kontaktflächen 5 umfassen Durchkontaktierungen 270 zu der oberen Metallisierungsschicht 24 zur Bereitstellung eines Unterseitenpotenzials des elektrischen Bauelements 26 und Durchkontaktierungen 271 zu einer metallisierten Oberseite des elektrischen Bauelements 26 zur Bereitstellung von Oberseitenpotenzialen.
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Beispielsweise stellen die elektrischen Kontaktflächen 5 einen Source-Anschluss, einen Gate-Anschluss und eine Drain-Anschluss für das elektrische Bauelement 26 bereit.
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Die elektrischen Kontaktflächen 5 auf der Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2 und die elektrischen Kontaktflächen 4 auf der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 sind jeweils als Lotpads bzw. Lotflächen ausgebildet. Die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen elektrischen Kontaktflächen 4, 5 erfolgt über Lotverbindungen 6. Dabei bildet sich seitlich der Lotverbindungen 6 notwendigerweise ein Spalt 9 zwischen der Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2 und der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 aus. Dieser Spalt 9 ist durch ein Underfillmaterial 3 gefüllt, das im Rahmen eines Underfillprozesses appliziert wurde.
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Das elektrische Modul 2 ist über die Metallisierungsschicht 25 und ein Wärmeleitmaterial 80 mit dem Kühlkörper 35 verbunden. Der Kühlkörper 35 besteht beispielsweise aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und weist nicht gesondert dargestellte Kühlflächen auf. Der keramische Schaltungsträger 230 mit der Keramikschicht 23 dient zum einen der elektrischen Isolation des auf dem keramischen Schaltungsträger 230 angeordneten elektrischen Bauelements 26 zum Kühlkörper 35 und stellt gleichzeitig eine thermische Anbindung zum Kühlkörper 35 bereit. Das elektrisches Modul 2 wird auch als Prepackage-Modul bezeichnet.
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Die 14 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite 21 eines elektrischen Moduls 2, das beispielsweise entsprechend dem elektrischen Modul 2 der 13 ausgebildet ist. Dabei sind die elektrischen Kontaktflächen 5 im Einzelnen zu erkennen. Die elektrischen Kontaktflächen 5 umfassen eine elektrische Kontaktfläche bzw. ein Lotpad 51 für einen Source-Kontakt, eine elektrische Kontaktfläche bzw. ein Lotpad 52 für einen Gate-Kontakt und eine elektrische Kontaktfläche bzw. ein Lotpad 53 für einen Drain-Kontakt. Die Lotpads 51, 53 für den Gate-Kontakt und den Drain-Kontakt sind dabei aus Isolationsgründen voneinander beabstandet. Es ist erkennbar, dass die Lotpads 51-53 eine unterschiedliche Größe aufweisen, wobei das Lotpad 51 für den Source-Kontakt die größte Fläche besitzt, das Lotpad 53 für den Drain-Kontakt die zweitgrößte Fläche besitzt, und das Lotpad 52 für den Gate-Kontakt die kleinste Fläche besitzt.
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Die 15 zeigt in einer Draufsicht einen Abschnitt der Unterseite 12 einer Leiterplatte 1, wobei die Unterseite 12 in einem Bereich dargestellt ist, der die elektrischen Module 2 aufnimmt. Dabei sind vier elektrische Module 2 dargestellt, die mit ihren Lotpads entsprechend der 13 auf entsprechend ausgebildete erste Kontaktflächen 4 auf der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 aufgesetzt sind. Dabei bilden die ersten Kontaktflächen 4 eine erste Kontaktfläche bzw. ein erstes Lotpad 41 für den Source-Kontakt, eine zweite Kontaktfläche bzw. ein zweites Lotpad 42 für den Gate-Kontakt und eine dritte Kontaktfläche bzw. ein drittes Lotpad 43 für den Drain-Kontakt.
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Die ersten elektrischen Kontaktflächen 41-43 auf der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 entsprechen dabei von ihren Größenverhältnissen her den zweiten elektrischen Kontaktflächen 51-53 auf der Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2, siehe 14. So sind die jeweiligen Lotpads 41, 51 für den Source-Kontakt am größten, gefolgt von den Lotpads 43, 53 für den Drain-Kontakt und den Lotpads 42, 52 für den Gate-Kontakt. Es werden dabei jeweils erste und zweite elektrische Kontaktflächen 41, 51, 42, 52 und 43, 53 miteinander verbunden, die eine entsprechende Größe aufweisen. Eine „entsprechende Größe“ bedeutet dabei nicht notwendigerweise eine identische Größe. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die ersten Kontaktflächen 41-43 jeweils etwas größer sind als die zweiten Kontaktflächen 51-53.
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In der 15 sind auch Kontaktfelder 410, 420, 430 der jeweiligen ersten elektrischen Kontaktflächen 41-43 zu deren leiterplattenseitigen elektrischen Anbindung dargestellt. Die Kontaktfelder 410, 420, 430 umfassen jeweils eine Mehrzahl von Vias 450. Über die Anzahl der Vias 450 kann die maximale elektrische Stromdichte eingestellt werden.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite 12 einer Leiterplatte 1 gemäß der 15, wobei auf die Leiterplatte 1 eine Schablone 7 aufgebracht ist. Die Schablone 7 ist einstückig ausgebildet und beispielsweise als Blechteil ausgeführt. Sie umfasst Öffnungen im Bereich der elektrischen Kontakte 41, 42, 43, so dass mittels der Schablone 7 definiert Lotmaterial auf die elektrischen Kontakte 41, 42, 43 aufgebracht werden kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass in der 1 (und ebenso in den 2 und 3) auch Vias 54 entsprechend den Vias 54 der 15 dargestellt sind. Diese sind ebenfalls von der Schablone 7 bedeckt und scheinen in der Darstellung der 1 lediglich durch. Die einzigen Öffnungen der Schablone 7 befinden sich im Bereich der elektrischen Kontaktflächen 41, 42, 43.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Schablone 7 im Bereich einiger oder aller dieser Kontaktflächen 41, 42, 43 Stege 71-73 bildet, die die Kontaktflächen in Teilflächen unterteilen. So ist das Lotpad 41 für den Source-Anschluss durch einen Steg 72 in zwei kleinere Teilflächen 411, 412 unterteilt. Weiter ist das Lotpad 43 für den Drain-Anschluss durch einen Steg 71 in zwei kleinere Teilflächen 431, 432 unterteilt. Das Lotpad 42 für den Gate-Anschluss ist nicht unterteilt.
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Die 2 zeigt ebenfalls eine Draufsicht auf die Unterseite 12 einer Leiterplatte 1, wobei auf die Leiterplatte 1 eine Schablone 7 aufgebracht ist. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 besteht in der Ausbildung der Schablone 7. So ist beim Ausführungsbeispiel der 2 vorgesehen, dass das Lotpad 41 für den Source-Anschluss durch einen längs verlaufenden Steg 73 und drei senkrecht dazu verlaufende Stege 72 in insgesamt acht Teilflächen 411-418 unterteilt ist, die die gleiche Größe aufweisen. Das Lotpad 42 für den Gate-Anschluss ist durch einen Steg 74 in zwei kleinere Teilflächen 421, 422 unterteilt. Das Lotpad 43 für den Drain-Anschluss ist durch mehrere parallele Stege 71 in insgesamt vier kleinere Teilflächen 431-434 unterteilt.
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Die 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schablone 7, die auf die Unterseite 12 einer Leiterplatte 1 aufgebracht ist. Beim Ausführungsbeispiel der 3 umfasst die Schablone 7 Stege 71, 72, 73 derart, dass das Lotpad 41 für den Source-Anschluss in vier Teilflächen 411- 414 unterteilt ist und das Lotpad 43 für den Drain-Anschluss in zwei Teilflächen 431, 432 unterteilt ist. Das Lotpad 42 für den Gate-Anschluss ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht in Teilflächen unterteilt.
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Die Stege 71-73 nehmen in den Ausführungsbeispielen der 1-3 beispielsweise eine Fläche im Bereich zwischen 8 % und 35 % der Gesamtfläche der jeweiligen elektrischen Kontaktfläche ein. Dabei nimmt der Prozentsatz der Stege an der Gesamtfläche naturgemäß mit der Anzahl der Stege zu. Beispielsweise nimmt der Steg 72 in der Ausgestaltung der 1 etwa 12 % der Gesamtfläche der elektrischen Kontaktfläche 41 ein. In der Ausgestaltung der 2 nehmen die Stege 72, 73 dagegen etwa 32 % der Gesamtfläche der elektrischen Kontaktfläche 41 ein.
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Die 1 bis 3 zeigen somit verschiedene Ausführungsbeispiele einer Schablone 7, die im Bereich von Aussparungen, die sich über den elektrischen Kontaktflächen 41-43 erstrecken, Stege 71-74 ausbildet, durch die die elektrischen Kontaktflächen 41-43 in elektrische Teilflächen 411-418, 421, 422, 431-434 unterteilt werden. Da die Stege 71-74 die elektrischen Kontaktflächen 41-43 abdecken, ist es im Bereich der Stege 71-74 nicht möglich, Lotmaterial auf die elektrischen Kontaktflächen 41-43 aufzubringen. Dies bedeutet, dass Lotmaterial nur im Bereich der elektrischen Teilflächen 411-418, 421, 422, 431-434 mit Lotmaterial benetzt werden kann.
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Die Anzahl und Form der in den 1 bis 3 dargestellten Teilflächen der elektrischen Kontaktflächen 41-43 durch Stege der Schablone 7 ist nur beispielhaft zu verstehen.
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Die Schablone 7 weist beispielsweise eine Höhe von 200 µm oder 400 µm auf. In entsprechender Dicke wird das Lotmaterial auf die elektrischen Teilflächen appliziert.
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Bei den 1 bis 3 ist eine Schablone 7 auf die Unterseite der Leiterplatte 1 aufgebracht. Es ist ebenso möglich, eine Schablone 7 auf die Oberseite eines elektrischen Moduls 2 (z.B. dem elektrischen Modul 2 der 13-15) aufzubringen, wobei für diesen Fall das Lotmaterial auf die elektrischen Kontakte des elektrischen Moduls appliziert wird.
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Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der 4 dargestellt. Danach ist die Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2 mit einer Schablone 7 abgedeckt, die Öffnungen im Bereich der elektrischen Kontaktflächen 51-53 der Oberseite aufweist. Diese Öffnungen sind ebenso wie in den 1 bis 3 durch Stege 71-73 der Schablone 7 unterteilt, wobei die Stege 71-73 die elektrischen Kontaktflächen 51-53 in elektrische Teilflächen unterteilen. So ist das Lotpad 53 für einen Drain-Kontakt durch einen Steg 71 in zwei Teilflächen 531, 532 unterteilt. Das Lotpad 51 für den Source-Kontakt ist durch zwei senkrecht zueinander verlaufende Stege 72, 73 in vier Teilflächen 511-514 unterteilt. Das Lotpad 52 für den Gate-Kontakt ist in dieser Ausführungsvariante nicht unterteilt.
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Die Unterteilung der elektrischen Kontaktflächen 51-53 des elektrischen Moduls 2 in der 4 ist nur beispielhaft zu verstehen. Beispielsweise kann in anderen Ausführungsbeispielen eine Unterteilung entsprechend den 1 oder 2 oder in anderer Weise erfolgen.
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Die 5 zeigt die Oberseite des elektrischen Moduls 2 der 4, wobei nun zusätzlich Lotmaterial auf die elektrischen Kontaktflächen 51-53 appliziert worden ist. Das Lotmaterial ist dabei in der Höhe der Schablone 7 appliziert worden. Es bildet nach Verbindung des elektrischen Moduls 1 mit den entsprechenden elektrischen Kontakten 41-43 der Leiterplatte 1 (siehe 13) elektrische Lotverbindungen 61-63.
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Die Schablone 7 ist in der 5 bereits entfernt worden. Es ist zu erkennen, dass im Bereich von kanalartigen Aussparungen 81, 82, 83, in denen zuvor die Stege 71, 72, 73 der Schablone 7 verlaufen sind, kein Lotmaterial vorhanden ist. Dementsprechend ist das Lotmaterial nur auf die Teilflächen appliziert worden, die nicht von den Stegen abgedeckt waren (siehe Teilflächen 511-514, 531, 532 der 4). Dies bedeutet, dass das Lotmaterial nun ebenfalls in lediglich Teilbereichen vorhanden ist. So befindet sich auf der elektrischen Kontaktfläche 51 für den Source-Kontakt vier Teilbereiche 611-614 mit Lotmaterial. Auf der elektrischen Kontaktfläche 53 für den Drain-Kontakt befinden sich zwei Teilbereiche 631, 632 mit Lotmaterial. Nach Verlöten des elektrischen Moduls 2 mit den elektrischen Kontaktflächen der Leiterplatte 1 bilden diese Lot-Teilbereiche 611-614 und 631, 632 Teilbereiche von Lotverbindungen 61-63 zwischen den jeweiligen elektrischen Kontaktflächen 51-53 und 41-43, wobei eine elektrische Verbindung nur im Bereich der Teilbereiche bereitgestellt wird. Die jeweilige Lotverbindung 61-63 ist somit in Teilbereiche 611-614 und 631, 632 unterteilt, wobei die Teilbereiche 611-614 und 631, 632 durch die Aussparungen 81-83 voneinander getrennt sind.
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Das Lotpad 52 für den Gate-Kontakt ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht in Teilflächen unterteilt, wobei dies in anderen Ausführungsbeispielen (zum Beispiel entsprechend der 2) durchaus der Fall sein kann. Das Lotpad 52 ist mit Lotmaterial 621 bedeckt, das nach einem Verlöten mit der entsprechenden elektrischen Kontaktfläche 42 auf der Unterseite der Leiterplatte eine Lotverbindung 62 bildet.
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Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung durch das elektrische Modul der 5 im Bereich der Lot-Teilbereiche 611, 612. Es ist zu erkennen, dass der Lot-Teilbereich 611 auf der elektrischen Teilfläche 511 angeordnet ist und der Lot-Teilbereich 612 auf der elektrischen Teilfläche 512 angeordnet ist. Zwischen den Teilbereichen 611, 612 verläuft die Aussparung 82, in der zuvor der Steg 72 (siehe 4) angeordnet war. Weiter ist das Lotmaterial 621 auf der elektrischen Kontaktfläche 52 dargestellt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das elektrische Modul 2 in der 6 nur schematisch dargestellt ist. Es ist beispielsweise entsprechend der 13 ausgebildet.
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Die 7 zeigt die Schnittdarstellung der 6, wobei die Situation dargestellt ist, dass die Lot-Teilbereiche 611, 612 und der Lotbereich 621 nach einem Reflow-Löten nun Lothöcker 6110, 6120, 6210 bilden. Die zugehörigen elektrischen Kontaktflächen 41-43 der Leiterplatte sind dabei nicht dargestellt.
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Das Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung entsprechend den Ausführungsbeispielen der 1-7 ist in der 11 zusammengefasst. Danach wird in einem ersten Schritt 111 zunächst eine Leiterplatte bereitgestellt, die eine Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei an der Unterseite eine Mehrzahl erster elektrische Kontaktflächen unterschiedlicher Größe angeordnet ist, beispielsweise entsprechend der 15. Weiter wird gemäß Schritt 112 ein elektrisches Modul bereitgestellt, das an seiner Oberseite eine Mehrzahl zweiter elektrische Kontaktflächen unterschiedlicher Größe aufweist, beispielsweise entsprechend der 14.
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Es wird nun gemäß Schritt 113 eine Schablone entweder auf den ersten elektrischen Kontaktflächen der Leiterplatte oder den zweiten elektrischen Kontaktflächen des elektrischen Moduls angeordnet. Die Schablone umfasst Stege, die zumindest eine der ersten oder zweiten elektrischen Kontaktflächen (je nachdem, ob die Schablone auf die Leiterplatte oder auf das elektrische Modul aufgebracht worden ist) in kleinere elektrische Teilflächen unterteilt. Dabei kann im Bereich der Stege kein Lotmaterial auf die elektrische Kontaktfläche appliziert werden.
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In Schritt 114 wird dann ein Lotmaterial auf die elektrischen Kontaktflächen appliziert, wobei die Applikation im Bereich von Öffnungen in der Schablone erfolgt. Aufgrund der Stege der Schablone wird das Lotmaterial dabei im Bereich der genannten Teilflächen appliziert, und nicht im Bereich der Stege. Anschließend wird in Schritt 115 die Schablone entfernt.
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Es erfolgt nun in Schritt 116 ein Verlöten der ersten elektrischen Kontaktflächen und der zweiten elektrischen Kontaktflächen. Dies erfolgt beispielsweise über ein Reflow-Löten oder ein Dampfphasenlöten. Dabei werden die ersten und zweiten elektrischen Kontaktflächen mit jeweils entsprechender Größe über Lotverbindungen miteinander verbunden. Gemäß Schritt 117 ist dabei im Bereich von Aussparungen, in denen zuvor die Stege der Schablone angeordnet waren, kein Lotmaterial vorhanden. Damit bildet mindestens eine der Lotverbindungen Teilbereiche aus (zum Beispiel entsprechend den Teilbereichen 611-614 und 631, 632 der 5 und 6) und erfolgt eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Kontaktflächen (z.B. den Kontaktflächen 41, 51) nur in diesen Teilbereichen.
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Anhand der 8-10 wird im Folgenden ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung erläutert, wobei das weitere Verfahren einen kombinierten Löt- und Underfillprozess vorsieht.
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Die 8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer für das Verfahren erforderlichen Ausbildung der elektrischen Kontakte auf der Oberseite 21 eines elektrischen Moduls 2, das an der Unterseite einer Leiterplatte anzuordnen ist (zum Beispiel ein elektrisches Modul 2 mit einem Aufbau entsprechend der 13). Die linke Darstellung der 8 zeigt dabei zum Vergleich elektrische Kontaktflächen 51, 52, 53 entsprechend der 14. Diese flächigen Kontaktflächen sind bei dem nun betrachteten Ausführungsbeispiel in kreisförmige Kontaktflächen bzw. Lotpads 55 überführt, wie die mittige Darstellung der 8 in einer Draufsicht und die rechte Darstellung der 8 in einer Schnittdarstellung zeigt. Danach umfassen die kreisförmigen Lotpads 55, die in mehreren Reihen angeordnet sind, Lotpads 551, die einen Source-Kontakt bereitstellen, Lotpads 552, die einen Gate-Kontakt bereitstellen und Lotpads 553, die einen Gate-Kontakt bereitstellen. Dabei stellen jeweils mehrere der jeweiligen Lotpads 551, 552, 553 einen entsprechenden elektrischen Kontakt bereit. Wie in der rechten Darstellung der 8 erkennbar ist, wird des Weiteren auf jedes der kreisförmigen Lotpads Lotmaterial in Form eines Lotballs 65 appliziert.
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Das auf diese Weise vorbereitete elektrische Modul 2 wird anschließend mit elektrischen Kontakten auf der Oberseite einer Leiterplatte verlötet, wie anhand der 10 A bis 10D erläutert wird.
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Die 9 zeigt eine Abwandlung der Ausgestaltung der 8. Bei der 8 befinden sich in einem Bereich 29 auf der Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2 keine kreisförmigen Kontaktflächen 55, da dieser Bereich nicht in Kontakt mit entsprechenden elektrischen Kontaktflächen auf der Unterseite einer Leiterplatte tritt. In der 9 ist vorgesehen, dass auch in diesem Bereich 29 kreisförmige Kontaktflächen 554 ausgebildet sind. Diese kreisförmigen Kontaktflächen 554 sind allerdings nicht mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagt und insofern nicht für eine Übertragung von Strom/Spannung vorgesehen. Gemäß der rechten Darstellung der 9 sind sie ebenfalls mit Lotbällen 65 versehen. Durch die Ausbildung der Lotpads 55 und der Lotbälle 65 auf der gesamten Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2 wird eine homogene Verteilung der Kontaktflächen 55 und der Lotbälle 65 erreicht, so dass die Gefahr von Verkippungen reduziert wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die kreisförmigen Kontaktflächen 55 und die Lotbälle 65 äquidistant in einem rechteckigen Raster angeordnet sind. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall. Beispielsweise kann in anderen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass die kreisförmigen Kontaktflächen 55 und zugehörigen Lotbälle 65 in bestimmten Bereichen auf der Oberfläche 21 des elektrischen Moduls 2 konzentriert sind.
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Die 10A bis 10D erläutern die Herstellung einer Leiterplattenanordnung unter Verwendung elektrischen Moduls entsprechend den 8 oder 9.
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Die 10A zeigt eine Leiterplatte 1, auf deren Unterseite 12 elektrische Kontaktflächen 41, 42 angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich um elektrische Kontaktflächen 41, 42 entsprechend den elektrischen Kontaktflächen 41, 42 der 15. Natürlich können die elektrische Kontaktflächen weitere elektrische Kontaktflächen wie beispielsweise die elektrische Kontaktfläche 43 der 15 umfassen. Die elektrischen Kontaktflächen 41, 42, der zwischen ihnen liegende Bereich und der umliegende Bereich sind durch einen Dispenser 95 mit einem Noflow-Underfillmaterial 30 bedeckt bzw. benetzt.
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Gemäß der 10B wird nur an der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 ein elektrisches Modul 2 platziert, dass entsprechend den 8 oder 9 ausgebildet und vorbereitet ist und dementsprechend Lotbälle 65 auf der Unterseite 21 ausbildet.
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Gemäß der 10C erfolgten ein Verlöten der Lotbälle 65 mit den elektrischen Kontaktflächen 41, 42, wobei die Lotbälle 65 in das Noflow-Underfillmaterial 30 getaucht werden. Das Noflow-Underfillmaterial 30 wird dabei verdrängt, füllt aber einen Spalt 9 zwischen der Unterseite 21 des elektrischen Moduls 2 und der Oberseite 11 der Leiterplatte 1 aus. Das Noflow-Underfillmaterial 30 erstreckt sich dabei in dem Spalt 9 seitlich der Lotbälle 65 und füllt den Spalt 9 vollständig blasenfrei aus. Hierdurch wird die Gefahr von Teilentladungen reduziert.
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Es erfolgen ein Reflow-Löten und ein abschließendes Abkühlen, wobei das Noflow-Underfillmaterial 30 aushärtet. Dabei ist zu beachten, dass Noflow-Underfillmaterialien „voidfreie“ Materialien sind, die ein im wesentlichen blasenfreies Aushärten ermöglichen. Die 10D zeigt den Endzustand. Das ausgehärtete Lotmaterial 650 bildet Lotverbindungen zwischen den entsprechenden elektrischen Kontaktflächen des elektrischen Moduls 2 und der Leiterplatte 1.
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Das Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung entsprechend den Ausführungsbeispielen der 8-10 ist in der 12 zusammengefasst. Danach wird in einem ersten Schritt 121 zunächst eine Leiterplatte bereitgestellt, die eine Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei an der Unterseite eine Mehrzahl erster elektrische Kontaktflächen unterschiedlicher Größe angeordnet ist, beispielsweise entsprechend der 15. Weiter wird gemäß Schritt 112 ein elektrisches Modul bereitgestellt, das an seiner Oberseite eine Mehrzahl zweiter elektrische Kontaktflächen aufweist, beispielsweise entsprechend den 8 oder 9.
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In Schritt 123 wird ein Noflow-Underfillmaterial auf die ersten elektrischen Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte appliziert, entsprechend der 10A. Weiter wird in Schritt 124 Lotmaterial auf die zweiten elektrischen Kontaktflächen auf der Oberseite des elektrischen Moduls appliziert, wobei das Lotmaterial in Form von Lotbällen appliziert wird. Die Reihenfolge der Schritte 123, 124 ist dabei unerheblich.
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Nach den Schritten 123, 124 erfolgt in Schritt 125 ein Verlöten der ersten elektrischen Kontaktflächen des elektrischen Moduls mit den zweiten elektrischen Kontaktflächen der Leiterplatte. Dabei wird ein Spalt zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte mit dem Noflow-Underfillmaterial gefüllt, wie in den 10C und 10D dargestellt.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.