DE102004005030A1

DE102004005030A1 - Elektronisches Bauelement auf einem Trägerelement

Info

Publication number: DE102004005030A1
Application number: DE102004005030A
Authority: DE
Inventors: Kurt Weiblen; Anton Döring; Thomas Haalboom
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-18
Also published as: KR20070028309A; JP2006523013A; WO2005074337A1; EP1714534A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung mit einem elektronischen Bauelement und einem Trägerelement, insbesondere einer Leiterplatte, bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung beschrieben. Dabei ist vorgesehen, dass das elektronische Bauelement und das Trägerelement eine elektrische Kontaktierung aufweist, wobei diese elektrische Kontaktierung über wenigstens ein erstes Material erfolgt. Weiterhin ist zwischen dem elektrischen Bauelement und dem Trägerelement wenigstens ein erster Bereich aus einem zweiten Material vorgesehen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass dieser zweite Bereich als Abstandshalter fungiert. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das erste und das zweite Material ein vergleichbares mechanisches Verhalten aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Elektronische Bauelemente (SMD; Surface Mount Devices) werden üblicherweise mit Hilfe von Lötpasten in einem thermischen Prozess auf ein Trägermaterial z.B. einer Leiterplatte aufgelötet. Über die Lebensdauer derartig hergestellter Bauelement kann eine Lötstellenzerrüttung aufgrund von Temperaturwechseln beobachtet werden. Dabei entstehen aufgrund der thermischen Belastung im Lötmaterial bzw. in der Lötpaste feine Risse, die bis zum Bruch der Lötstelle führen können. Solche Lötstellenbrüche stellen regelmäßig eine Beschränkung der Lebensdauer eines derartigen elektronischen Bauelements dar.
Vorteile der Erfindung
In der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung mit einem elektronischen Bauelement und einem Trägerelement, insbesondere einer Leiterplatte, bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung beschrieben. Dabei ist vorgesehen, dass das elektronische Bauelement und das Trägerelement eine elektrische Kontaktierung aufweist, wobei diese elektrische Kontaktierung über wenigstens ein erstes Material erfolgt. Darüber hinaus ist zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Trägerelement wenigstens ein erster Bereich aus einem zweiten Material vorgesehen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass dieser zweite Bereich als Abstandshalter fungiert. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das erste und das zweite Material ein vergleichbares mechanisches Verhalten aufweist.
Durch die Verwendung eines ersten Bereichs zwischen dem elektronischen Bauelements und dem Trägerelement wird vorteilhafterweise eine Lebensdauerverlängerung der Vorrichtung bestehend aus den beiden vorgenannten Elementen erreicht. Dabei ist die Verwendung von zumindest in ihren mechanischen Eigenschaften vergleichbaren Materialien für die elektrische Kontaktierung und den ersten Bereich bei der Fertigung vorteilhaft, da dadurch eine einfache gleichzeitige Verarbeitung bei der Fertigung ermöglicht wird. Somit ist eine Erzeugung des ersten Bereichs ohne Erhöhung der Prozesszeit möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen das erste und/oder das zweite Material temperaturabhängige Verformungen auf. Darüber hinaus kann optional vorgesehen sein, dass wenigstens eines der beiden Materialien eine Lotverbindung aufweist. Durch eine Verwendung von Lot für beide Materialien kann eine einfache Verarbeitung bei der Herstellung erreicht werden. Darüber hinaus entstehend durch die Verwendung von Lot nur sehr geringe Zusatzkosten.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist das elektronische Bauelement unabhängig von der elektrischen Kontaktierung wenigstens teilweise einen mechanischen Kontakt zum Trägerelement auf. Dieser mechanische Kontakt erfolgt dabei vorteilhafterweise über den ersten Bereich, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der erste Bereich wenigstens eine Stützstelle für das elektronische Bauelement aufweist. Durch eine derartige Stützstelle, die beispielsweise als Abstandshalter fungieren kann, wird ein Durchbiegen des elektronischen Bauelements verhindert. Daneben ist jedoch optionale auch denkbar, dass durch die Stützstelle ein weiterer elektrischer Kontakt unabhängig von der elektrischen Kontaktierung zwischen elektronischem Bauelement und Trägerelement erfolgt. Ganz allgemein ist jedoch vorgesehen, dass durch den ersten Bereich bzw. die Stützstelle vorteilhafterweise eine mechanische Entlastung der elektrischen Kontaktierung ermöglicht wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird auf das elektronische Bauelement ein Dichtungsring aufgebracht, der das elektronische Bauelement beispielsweise mit einem Gehäuse verbindet. Dabei kann vorgesehen sein, dass dieser Dichtungsring mittels einer Druckkraft auf das elektronische Bauelement gedrückt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei die Ausgestaltung des ersten Bereichs in Abhängigkeit der Druckverhältnisse, die durch das Aufdrücken des Dichtungsrings entstehen, da dadurch eine Übertragung von Kräften auf die elektrische Kontaktierung verhindert bzw. reduziert werden kann. Eine derartige Reduzierung der Kräfte auf eine die elektrische Kontaktierung erzeugende Lötstelle vermindert das Risiko bzw. die Anfälligkeit gegenüber einer Lötstellenzerrüttung.
Die Ausgestaltung des ersten Bereichs in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen kann dabei unterschiedlich erfolgen. So ist denkbar, die Anzahl der ersten Bereiche zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Trägerelement den Druckverhältnissen anzupassen. Alternativ kann jedoch auch die geometrische Ausgestaltung jedes einzelnen ersten Bereichs oder die Position des wenigstens einen Bereichs unterhalb des elektronischen Bauelements variiert werden, um eine möglichst gute Kompensation der Druckkraft und somit eine weitestgehende mechanische Entlastung der elektrischen Kontaktierung zu ermöglichen. Durch eine geeignete Zahl sowie einer geeigneten Größe der ersten Bereiche kann der Alterungsprozess der elektrischen Kontaktierung, insbesondere einer Lötstelle, maßgeblich verhindert bzw. verzögert werden. Bei der Berücksichtigung der Druckverhältnisse können dabei insbesondere die Größe der Druckkraft, der Ansatzpunkt der Druckkraft auf das elektronische Bauelement und die Richtung der Druckkraft eine Rolle spielen.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung des ersten Bereichs als Lötstützstelle, als Stützball und/oder als Lötstützbump, wobei selbstverständlich auch mehrere erste Bereiche unterhalb des elektronischen Bauelements angeordnet sein können.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das elektronische Bauelement ein Sensorelement auf, welches insbesondere eine gegenüber Lageverschiebungen kritische Messgröße liefert. Aus diesem Grund kann vorgesehen sein, dass durch den ersten Bereich die Lageverschiebung des elektronischen Bauelement aufgrund äußerer Druckbeaufschlagung auf ein Minimum reduziert wird. Allgemein kann ein Sensorelement vorgesehen sein, welches eine Druckgröße, eine Luftmassengröße, eine Ölzustandsgröße und/oder eine Temperaturgröße erfasst.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Lötverbindung, welche den ersten Bereich charakterisiert, vor der Montage des elektronischen Bauelements, insbesondere gemeinsam mit den Lötverbindungen für die elektrische Kontaktierung, auf dem Trägermaterial aufgebracht wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
In der 1a ist ein Aufbau einer Vorrichtung bestehend aus einem elektronischen Bauelement und einem Trägerelement gezeigt. Die 1b und c enthalten Detaildarstellungen, die eine Lötzerrüttung an einer elektrischen Kontaktierung aufzeigen. 2 zeigt die erfindungsgemäße mechanische Entlastung der elektrischen Kontaktierungen. In 3 ist beispielhaft an einem Drucksensor der erfindungsgemäße Einsatz von Stützstellen dargestellt. Mit der Abbildung in 4 wird beispielhaft eine mögliche Ausgestaltung eines Trägerelements vor der Montage des elektronischen Bauelements gezeigt.
Ausführungsbeispiel
Eine Vorrichtung bestehend aus einem elektronischen Bauelement 110 (SMD; Surface Mount Devices) und einem Trägerelement 100, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist in 1a dargestellt. Dabei weist das elektronische Bauelement 110 elektrisch leitfähige Anschlüsse 120 auf, die mittels einer Lötstelle 130 eine elektrische Kontaktierung mit dem Trägerelement 100 herstellen. Vorteilhafterweise sind die Anschlüsse 120 derart gestaltet, dass sie eine Positionierung auf dem Trägerelement 100 ermöglichen. Dies wird typischerweise durch Anschlüsse 120 erreicht, die länger als der Körper des elektronischen Bauelements 110 sind. Dadurch wird einerseits eine Positionierung des elektronischen Bauelement 110 auf dem Trägerelement 100 über die Anschlussfüße ermöglicht und andererseits verhindert, dass der Boden des elektronischen Bauelements 110 auf dem Trägerelement 100 aufsitzt. Das Resultat ist ein (Luft-)Spalt 190 zwischen elektronischem Bauelement 110 und dem Trägerelement 100.
Werden die Lötstellen 130 im Zeitverlauf häufigen Temperaturwechseln ausgesetzt, so kann es innerhalb des Lots zu einer Kornvergröberung bzw. zur Bildung von feinen Rissen kommen. Diese Risse können im Extremfall sogar zu einem Bruch der Löststelle führen. Eine derartige Lötstellenzerrüttung tritt dabei häufig zum Lebensende der mit einer solchen Lötstelle ausgestatteten Vorrichtung auf. Wird das elektronischen Bauelement 110 bzw. die Lötstelle zusätzlich noch einer mechanischen Belastung ausgesetzt, kommt es zu einer frühzeitigen Zerrüttung und damit zu einem vorgezogenen Alterungsprozess der Lötstelle 130. Eine entsprechende mechanische Belastung kann beispielsweise durch eine Druckkraft 150 erzeugt werden, die kontinuierlich oder sporadisch auf das elektronische Bauelement 110 wirkt.
In den 1b und 1c ist entsprechend des Bereichs 140 eine Lötstellenzerrüttung aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung 150 auf das elektronische Bauelement 110 dargestellt. Da das Bauelement 110 durch den Spalt 190 der Druckkraft 150 nachgeben kann, kommt es zu einer mechanischen Belastung der Lötstelle 130, die in Form einer Kräftezerlegung in 1b dargestellt ist. Neben der vertikalen Kraftkomponenten 160 ergibt sich aus der resultierenden Kraft 180 auf den Anschluss 120 bzw. auf die Lötstelle 130 eine horizontale Kraftkomponenten 170, die den Anschluss 120 nach außen, d.h. vom elektronischen Bauelement weg drückt. Durch die bereits geschilderten Kornvergröberungen im Lötmaterial der Lötstelle 130 kommt es zur Rissbildung und schlussendlich zum Bruch der Lötstelle 130 in eine oder mehrere Bruchstücke 132 bzw. 134, wie es in 1c dargestellt ist. Simultan mit dem Bruch der Lötstelle 130 wird die elektrische Kontaktierung zwischen elektronischem Bauelement 110 und Trägerelement 100 zerstört. Aus diesem Grund besagt eine goldene Regel der Löttechnik von SMD-Bauelementen, dass auf die Lötstellen kein Druck bzw. keine Kraft ausgeübt werden sollte.
Zur Verhinderung einer vorzeitigen Lötstellenzerrüttung werden deshalb erfindungsgemäß unterhalb des elektronischen Bauelements 110 eine oder mehrere Stützstellen 200 auf das Trägerelement aufgebracht. Durch derartige Stützstellen 200 kann der Körper des elektronischen Bauelements 110 der äußeren Kraft 150 nur noch sehr eingeschränkt folgen. Dies resultiert in einer verminderten resultierenden Kraft 180, die auf den Anschluss 120 bzw. die Lötstelle 130 wirkt. Somit wird ebenfalls die horizontale Kraftkomponente 170 verringert bzw. durch eine geeignete Wahl der Position der Stützstellen 200 sogar ganz verhindert.
Allgemein können die Stützstellen in Abhängigkeit von den Druck- bzw. Kraftverhältnissen, die auf das elektronische Bauelement 110 wirken variiert werden. Dabei kann sowohl die Anzahl, die Position aber auch die Geometrie der einzelnen Stützstellen variiert werden.
Vorteilhafterweise werden mehrere Stützstellen 200 zwischen dem elektronischen Bauelement 110 und dem Trägerelement 100 eingebracht. Somit kann die Kraft 150 auf mehrere Teilkräfte 155 aufgeteilt werden.
In 3 ist ein spezielles Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das elektronische Bauelement 110 ein insbesondere mikromechanisches Sensorelement zur Druckerfassung aufweist. Darüber hinaus ist jedoch auch denkbar, dass das elektronische Bauelement 110 dazu geeignet ist, eine Luftmassengröße, eine Ölzustandsgröße und/oder eine Temperaturgröße zu erfassen. Da das Sensorelement zur Druckerfassung mit dem Umgebungsmedium in Kontakt gebracht werden muss, kann eine Öffnung 320 in einem Gehäuse 310 vorgesehen sein, durch die das Medium mit dem Sensorelement in dem elektronischen Bauelement 110 in Kontakt kommen kann. Vorteilhafterweise wird dabei auf das elektronische Bauelement 110 ein Dichtungsring 300 aufgebracht, welcher durch das Gehäuse 310 mit einer konstanten Kraft 330 auf das elektronische Bauelement 110 gedrückt wird. Zur Kompensation dieser Kraft 330 können die Stützstellen 200 derart unter dem elektronischen Bauelement 110 angebracht. werden, dass eine horizontale Kraftkomponente einer resultierenden Kraft vermieden wird.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Stützstellen als Lötstellen, Lötbumps oder Lötballs realisiert. Dies hat den Vorteil, dass die Stützstellen 200 gleichzeitig mit den Lötstellen 130 im Herstellungsprozess gefertigt werden können. Eine Erhöhung der Prozesszeit durch einen zusätzlichen, evtl. aufwendigen Prozessschritt ist somit nicht nötig. Darüber hinaus entstehen bei der Verwendung von Lot als Material für die Stützstellen nur sehr geringe Zusatzkosten, die vorwiegend durch einen geringen Mehrverbrauch an Lot bedingt werden. Da die Stützstelle bzw. Stützballs und die Lötstellen aus dem gleichen Material bestehen, weisen sie ebenfalls die gleichen mechanischen Eigenschaften auf, wodurch beispielsweise eine ungewollte Verspannung des elektronischen Bauelements auf dem Trägerelement während der Herstellung oder dem Betrieb der Vorrichtung verhindert wird. Darüber hinaus verlängern die Stützstellen die Lebensdauer der Lötstellen um ein Vielfaches, da die Effekte, die den Alterungsprozess der Lötstellen beschleunigen würden ausgeschaltet bzw. verzögert werden.
In einer weiteren Ausführugsform werden vor der Montage des elektronischen Bauelements auf dem Trägerelement verschiedene Kontaktierungsflächen vorbereitet, an denen später die Anschlüsse des elektronischen Bauelements verlötet werden. Ein derartiges Trägerelement 400 ist beispielhaft in 4 dargestellt. Dabei sind verschiedene Kontaktierungsflächen 410, 420 und 430 zu erkennen, mit deren Hilfe das elektronische Bauelement auf der Oberfläche des Trägerelements ausgerichtet werden kann. Um einen effizienten Herstellungsprozess zu ermöglichen, werden gleichzeitig mit den Kontaktierungsflächen auch die Stützstellen 440 aufgebracht, bevor das elektronische Bauelement auf das Trägerelement aufgebracht wird. Die 4 stellt dabei nur eine mögliche Ausgestaltung der Positionierung der Stützstellen dar. Ebenso denkbar ist eine dreieckige, fünfeckige bzw. sonstige symmetrische oder unsymmetrische Annordung der Stützstellen.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Stützstellen vor der Montage auf dem Trägerelement direkt auf die Rückseite d.h. den Boden des elektronischen Bauelements aufgebracht werden kann.
Neben der geschilderten Verwendung von Lot als Stützstellenmaterial ist auch die Herstellung der Stützstellen aus Epoxidklebstoff denkbar. Darüber hinaus ist auch die Ausgestaltung des Gehäuses des elektronischen Bauelements mit Standoffs möglich. Letzteres würde jedoch zu einer neuen Bauteiltype führen, die in der Packagingfertigung nur durch eine neue Fertigungslinie realisiert werden kann. Bei der Verwendung von Standoffs muss weiterhin berücksichtigt werden, dass eine geeignete Auslegung gewählt werden muss, damit die Standoffs nicht über die Temperaturwechsel zerdrückt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass das elektronische Bauelement in 2 nicht von vorneherein auf den Stützstellen aufliegt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das elektronische Bauelement bei einer Kraftbeaufschlagung zunächst noch einen kleinen Spalt bis zum mechanischen Kontakt mit der Stützstelle zu überwinden hat. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens bei einer Stützstelle ein Spalt überwunden werden muss, wohingegen bei wenigstens einer anderen Stützstelle auch ohne Kraftbeaufschlagung ein mechanischer Kontakt auftritt.

Claims

Vorrichtung mit einem elektronischen Bauelement (110) und einem Trägerelement (100), insbesondere einer Leiterplatte, wobei – das elektronische Bauelement (110) und das Trägerelement (100) eine elektrische Kontaktierung (130) mittels wenigstens eines ersten Materials aufweist und – zwischen dem elektronischen Bauelement (110) und dem Trägerelement (100) wenigstens ein erster Bereich (200) aus einem zweiten Material vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein mechanisches Verhalten aufweist, welches weitestgehend dem ersten Material entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material – eine temperaturabhängige Verformung und/oder – eine Lotverbindung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (110) unabhängig von der elektrischen Kontaktierung (130) wenigstens teilweise über den ersten Bereich (200) einen mechanischen Kontakt zum Trägerelement (100) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der erste Bereich (200) wenigstens eine Stützstelle (200) für das elektronische Bauelement (110) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (200) die elektrische Kontaktierung mechanisch entlastet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der erste Bereich (200) wenigstens eine Stützstelle (200) oder einen Stützball aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das elektronische Bauelement (110) ein Dichtungsring (300) aufgebracht ist, wobei der Dichtungsring (300) unter einer Druckkraft (330) auf dem elektronischen Bauelement (110) gehalten wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der erste Bereich (200) in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen – die Anzahl der ersten Bereiche, und/oder – die geometrische Ausgestaltung der ersten Bereiche und/oder – die Position der ersten Bereiche zwischen dem elektronischen Bauelement (110) und dem Trägerelement (100) vorgegeben ist, wobei insbesondere als Druckverhältnisse die Druckkraft, den Ansatzpunkt der Druckkraft und die Richtung der Druckkraft vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (110) ein Sensorelement aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Sensorelement eine Druckgröße, eine Luftmassengröße, eine Ölzustandsgröße und/oder eine Temperaturgröße erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des elektronischen Bauelements (110) mehrere Lötverbindungen als Lötstützbumps angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, insbesondere einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem elektronischen Bauelement (110) und einem Trägerelement (100), insbesondere einer Leiterplatte, wobei – zwischen dem elektronischen Bauelement (110) und dem Trägerelement (100) mittels wenigstens eines ersten Materials eine elektrische Kontaktierung (130) hergestellt wird und – zwischen dem elektronischen Bauelement (110) und dem Trägerelement (100) wenigstens ein erster Bereich (200) aus einem zweiten Material hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein mechanisches Verhalten aufweist, welches weitestgehend dem ersten Material entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material – eine temperaturabhängige Verformung und/oder – eine Lotverbindung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (110) unabhängig von der elektrischen Kontaktierung (130) über wenigstens einen Teil des ersten Bereichs (200) einen mechanischen Kontakt zum Trägerelement (100) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der erste Bereich (200) wenigstens eine Stützstelle (200) für das elektronische Bauelement (110) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (200) die elektrische Kontaktierung (130) mechanisch entlastet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der erste Bereich (200) wenigstens eine Stützstelle (200) oder einen Stützball aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf das elektronische Bauelement (110) ein Dichtungsring (300) aufgebracht wird, wobei der Dichtungsring (300) unter einer Druckkraft (330) auf dem elektronischen Bauelement (110) gehalten wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Ausgestaltung des ersten Bereichs (200) in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen vorgebbar ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen – die Anzahl der ersten Bereiche, und/oder – die geometrische Ausgestaltung der ersten Bereiche und/oder – die Position der ersten Bereiche zwischen dem elektronischen Bauelement (110) und dem Trägerelement (100) vorgebbar ist, wobei insbesondere als Druckverhältnisse die Druckkraft, den Ansatzpunkt der Druckkraft und die Richtung der Druckkraft vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung im ersten Bereich (200) vor der Montage des elektronischen Bauelements (110) auf dem Trägermaterial (100) aufgebracht wird.