DE102019113021A1

DE102019113021A1 - Elektronikkomponente für ein Fahrzeug mit verbesserter elektrischer Kontaktierung eines Halbleiterbauelements sowie Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102019113021A1
Application number: DE102019113021.2A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer; Ralph Steige; Said El-Barbari
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronikkomponente (1) für ein Fahrzeug, umfassend eine erste Leiterplatte (2), auf welcher ein Halbleiterbauelement (4) angeordnet ist, eine zweite Leiterplatte (3), auf welcher eine Treiberschaltung (9) für das Halbleiterbauelement (4) angeordnet ist, und zumindest einen Einpressstift (11) zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte (2) und der zweiten Leiterplatte (3), wobei an dem zumindest einen Einpressstift (11) ein Lötanschlusselement (25) angeordnet ist, welches mit dem Halbleiterbauelement (4) elektrisch verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronikkomponente für ein Fahrzeug umfassend eine erste Leiterplatte, auf welcher ein Halbleiterbauelement angeordnet ist, und eine zweite Leiterplatte, auf welcher eine Treiberschaltung für das Halbleiterbauelement angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst Elektronikkomponente zumindest einen Einpressstift zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektronikkomponente für ein Fahrzeug.
Das Interesse richtet sich vorliegend auf Elektronikkomponenten für Fahrzeuge, wobei die Elektronikkomponenten zumindest ein Halbleiterbauelement oder Leistungshalbleiterbauelement aufweisen. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Varianten bekannt, wie diese Elektronikkomponenten aufgebaut sein können. Beispielsweise werden Einzeltransistoren verwendet, bei denen eine Metallgehäuseseite als Hitzeverteiler dient. Hierbei wird die Verlustwärme im Betrieb des Halbleiterbauelements auf eine große Fläche des Gehäuses verteilt.
Des Weiteren werden in den letzten Jahren neue Halbleitertechnologien eingesetzt. Beispielsweise werden Halbleiterbauelemente aus Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet. Mit diesen Halbleitermaterialien können sehr hohe Taktfrequenzen erreicht werden. Bei hohen Schaltfrequenzen wirken sich die Anschlüsse der Halbleiterbauelemente beziehungsweise Transistoren und deren Induktivitäten negativ aus und reduzieren die Vorteile der neuen Halbleitermaterialien. Dies gilt insbesondere dann, wenn Bonddrähte verwendet werden. Daher wurden bereits neue Gehäuseformen für Leistungstransistoren entwickelt, die den Halbleiter flächig anschließen und damit hohe Induktivitäten in den Anschlüssen vermeiden. Zur verbesserten thermischen Anbindungen können sogenannte Hitzeverteiler (Heatspreader) eingesetzt werden. Diese verteilen die Wärme mit einem geringen thermischen Widerstand auf eine große Fläche, um somit die gesamte Wärmeableitung zu optimieren. Der Einsatz dieser Hitzeverteiler oder Hitzeverteilerelemente erfordert zusätzlichen Bauraum und erhöht das Gewicht.
Neue Gehäuseformen für Leistungstransistoren weisen an der Vorderseite beispielsweise die elektrischen Anschlüsse auf. Diese können auf eine Leiterplatte gelötet werden. Auf der Rückseite weisen die Leistungstransistoren einen thermischen Anschluss zum Abführen der Wärme auf. Dieser thermische Anschluss kann über eine Wärmeleitpaste mit einer Wärmesenke beziehungsweise einem Kühlkörper verbunden werden. Prinzip bedingt weist die Vorderseite des Halbleiterbauelements mit den elektrischen Anschlüssen einen höheren thermischen Widerstand auf. Dieser ist durch die filigranen Strukturen für Gate, Drain und Source bedingt. Der thermische Widerstand kann auf der Vorderseite mit den elektrischen Anschlüssen im Vergleich zu der Rückseite mit dem thermischen Anschluss deutlich größer sein.
Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Leiterplatten zu verwenden, welche ein isoliertes Metallsubstrat aufweisen. Dieses Metallsubstrat, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein kann, eignet sich dazu, die Verlustwärme eines Halbleiterbauelements gut abzuführen. Ferner ist es bekannt, eine solche Leiterplatte mit einem isolierten Metallsubstrat mit einer weiteren Leiterplatte, beispielsweise einer konventionellen FR-4-Leiterplatte, zu verbinden. Der Grund hierfür ist, dass das ein solches isoliertes Metallsubstrat Leiterbahnen aufweist, welche für Leistungshalbleiter ausgelegt sind und sich daher für Bauelemente mit sehr dünnen, nahe beieinander liegenden Anschlusspins für eine Treiberschaltung oder dergleichen nicht eignen. Für die Verbindung dieser beiden Leiterplatten hat sich die sogenannte Pressfit-Technik beziehungsweise Einpresstechnik bewährt. Dabei werden Einpressstifte auf das Metallsubstrat gelötet und in einem weiteren Montageschritt werden die Einpressstifte in entsprechende Bohrungen der weiteren Leiterplatte eingepresst, um die elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten bereitzustellen.
Hierzu beschreibt die EP 1 796 217 B1 ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen zwei in einem Winkel zueinander angeordneten Leiterplatten, bei dem eine erste der beiden Leiterplatten mit einzelnen elektrischen Kontaktelementen in Form von SMD-Bauteilen nach dem Pick & Place-Verfahren bestückt und verlötet wird und die elektrischen Kontaktelemente anschließend mit der zweiten Leiterplatte verlötet werden. Dabei sind die elektrischen Kontaktelemente zumindest teilweise jeweils mit abgewinkelten Lötfahnen versehen, die durch in der ersten Leiterplatte vorgesehenen Lötlöcher gesteckt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Elektronikkomponente der eingangs genannten Art bezüglich der elektrischen Verbindung des Halbleiterbauelements verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektronikkomponente sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
Eine erfindungsgemäße Elektronikkomponente für ein Fahrzeug umfasst eine erste Leiterplatte, auf welcher ein Halbleiterbauelement angeordnet ist. Zudem umfasst die Elektronikkomponente eine zweite Leiterplatte, auf welcher eine Treiberschaltung für das Halbleiterbauelement angeordnet ist. Außerdem umfasst die Elektronikkomponente zumindest einen Einpressstift zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte. Dabei ist vorgesehen, dass an dem zumindest einen Einpressstift ein Lötanschlusselement angeordnet ist, welches mit dem Halbleiterbauelement elektrisch verbunden ist.
Die Elektronikkomponente kann in einem Fahrzeug verwendet werden. Die Elektronikkomponente kann Teil der Fahrzeugelektronik sein. Die Elektronikkomponente umfasst die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte. Dabei ist auf der ersten Leiterplatte das Halbleiterbauelement angeordnet. Dieses Halbleiterbauelement kann insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement, wie beispielsweise ein Transistor oder Leistungstransistor sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass auf der ersten Leiterplatte mehrere Halbleiterbauelemente angeordnet sind. Auf der zweiten Leiterplatte kann die Treiberschaltung für das Halbleiterbauelement angeordnet sein. Diese Treiberschaltung dient zur Ansteuerung des Halbleiterbauelements. Die Treiberschaltung kann elektronische Bauelemente aufweisen, welche auf der zweiten Leiterplatte aufgebracht sind und welche durch Leiterbahnen miteinander verbunden sind.
Des Weiteren ist die erste Leiterplatte mit der zweiten Leiterplatte mittels des zumindest einen Einpressstifts elektrisch miteinander verbunden. Mit anderen Worten ist die Treiberschaltung mittels des zumindest einen Einpressstifts mit dem Halbleiterbauelement elektrisch verbunden. Der Einpressstift kann auf der ersten Leiterplatte angeordnet sein. Der Einpressstift kann aus einem Metall gefertigt sein. Die zweite Leiterplatte kann eine Durchgangsöffnung oder Bohrung für den Einpressstift aufweisen. An dieser Durchgangsöffnung kann ein Teil einer Leiterbahn oder eine Metallisierung der zweiten Leiterplatte angrenzen. Bei dem Einpressen des Einpressstifts in die Durchgangsöffnung kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Einpressstift und der zweiten Leiterbahn hergestellt werden. Der Einpressstift kann derart ausgebildet sein, dass sich dieser bei dem Einpressen in die Durchgangsöffnung bereichsweise elastisch verformt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Elektronikkomponente eine Mehrzahl von Einpressstiften aufweist. Nach der Verbindung der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte kann die zweite Leiterplatte parallel zu der ersten Leiterplatte und über der ersten Leiterplatte angeordnet sein.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem zumindest einen Einpressstift ein Lötanschlusselement angeordnet ist. Dieses Lötanschlusselement ist elektrisch mit dem Halbleiterbauelement beziehungsweise einem elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements verbunden. Insbesondere kann das Lötanschlusselement mittels einer Lötverbindung mit dem Halbleiterbauelement verbunden sein. Das Lötanschlusselement kann mit dem Einpressstift mechanisch und elektrisch verbunden sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Lötanschlusselement Teil des Einpressstifts ist. Das Lötanschlusselement kann auch als Lötfahne bezeichnet werden. Das Lötanschlusselement kann die Form eines gebogenen Blechs aufweisen und eine Kontaktfläche aufweisen, der mit einem elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements mittels der Lötverbindung verbunden wird. Somit können mittels des Lötanschlusselements ein elektrischer Anschluss des Halbleiterbauelements, welches sich auf einer Oberseite oder Vorderseite des Halbleiterbauelements befindet, flächig kontaktiert werden. Auf diese Weise kann über den Einpressstift ein sehr kurzer Weg zur Kontaktierung der zweiten Leiterplatte erreicht werden. Dies ermöglicht eine gute elektrische Anbindung des Halbleiterbauelements an die zweite Leiterplatte.
Bevorzugt weist die erste Leiterplatte ein isoliertes Metallsubstrat auf, wobei das Metallsubstrat mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelt ist. Mit anderen Worten kann die zweite Leiterplatte als isoliertes Metallsubstrat ausgebildet sein. Ein derartiges isoliertes Metallsubstrat ist auch unter der Bezeichnung IMS® (Insulated Metal Substrate) bekannt. Das Metallsubstrat selbst kann aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gefertigt sein. Dieses Metallsubstrat befindet sich auf einer Unterseite der ersten Leiterplatte. Zudem kann die erste Leiterplatte entsprechende Leiterbahnen aufweisen, welche auf einer Oberseite der ersten Leiterplatte angeordnet sind. Zwischen dem Metallsubstrat und den Leiterbahnen kann eine entsprechende elektrisch isolierende Schicht vorgesehen sein. Das Halbleiterbauelement kann mit den Leiterbahnen beziehungsweise einem elektrischen Kontakt der ersten Leiterplatte elektrisch verbunden sein und insbesondere mit diesem verlötet sein. Ferner ist das Metallsubstrat mit dem Kühlkörper der Elektronikkomponente thermisch gekoppelt. Im Betrieb des Halbleiterbauelements kann die entstehende Wärme somit von dem Halbleiterbauelement über das Metallsubstrat zu dem Kühlkörper abgeleitet werden. Der Kühlkörper kann ebenfalls aus einem Metall gefertigt sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Kühlkörper aktiv mittels einer Kühleinrichtung gekühlt wird. Insgesamt kann somit die Wärme des Halbleiterbauelements im Betrieb abgeführt werden und somit ein zuverlässiger Betrieb des Halbleiterbauelements garantiert werden.
In einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauelement an einer Vorderseite eine Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen auf und an einer Unterseite weist das Halbleiterbauelement einen thermischen Anschluss auf, wobei einer der elektrischen Anschlüsse mit dem Lötanschlusselement des zumindest einen Einpressstifts verbunden ist und der thermische Anschluss mit dem Metallsubstrat thermisch gekoppelt ist. Als Halbleitermaterial für das Halbleiterbauelement kann Silicium oder Siliciumcarbid verwendet werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass als Halbleitermaterial für das Halbleiterbauelement Galliumnitrid verwendet wird. Hierzu sind aus dem Stand der Technik Halbleiterbauelemente und insbesondere Transistoren bekannt, welche ein flaches Gehäuse aufweisen. Ein solches Halbleiterbauelement beziehungsweise eine solche Gehäuseform kann an der Oberseite die elektrischen Anschlüsse aufweisen. Diese Anschlüsse können im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sein. Wenn das Halbleiterbauelement als Transistor ausgebildet ist, können elektrische Anschlüsse für Gate, Drain und Source vorgesehen sein. Es kann nun vorgesehen sein, dass jeder der elektrischen Anschlüsse des Halbleiterbauelements mit einem Lötanschlusselement eines Einpressstifts elektrisch verbunden ist. Diese möglich deine zuverlässige Verbindung der jeweiligen elektrischen Anschlüsse und kurze Wege für die elektrische Verbindung. Damit können die Vorteile der neuen Halbleitermaterialien genutzt werden.
Auf der Rückseite kann das Gehäuse beziehungsweise das Halbleiterbauelement einen thermischen Anschluss aufweisen. Auch dieser thermische Anschluss kann in Form einer im Wesentlichen rechteckigen Metallfläche bereitgestellt sein. Über diesen thermischen Anschluss kann die im Betrieb des Halbleiterbauelements erzeugte Wärme abgeführt werden. Dieser thermische Anschluss kann mit dem Metallsubstrat thermisch gekoppelt werden. Ein derartiges Gehäuse beziehungsweise eine derartige Bauform des Halbleiterbauelements ist auch unter der Bezeichnung GaNPX®-T bekannt. Durch die Kopplung des thermischen Anschlusses mit dem Metallsubstrat und Kühlkörper kann die erforderliche Wärmeabfuhr gewährleistet werden. Die Rückseite kann zusätzlich zum thermischen Anschluss auch als elektrischer Kontakt genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Kühlkörper und dem Metallsubstrat ein Hitzeverteilerelement angeordnet. Dieses Hitzeverteilerelement, welches auch als Heatspreader bezeichnet werden kann, dient dazu, die Wärme, die im Betrieb des Halbleiterbauelements entsteht, flächig zu verteilen. Dieses Hitzeverteilerelement kann ein oder mehrere Kühlbleche aufweisen. Dabei ist das Hitzeverteilerelement einerseits mit dem Halbleiterbauelement beziehungsweise dem thermischen Anschluss des Halbleiterbauelements und andererseits mit dem Metallsubstrat thermisch gekoppelt. Auf diese Weise kann die im Betrieb des Halbleiterbauelements entstehende Wärme abgeführt werden. Zudem kann der thermische Widerstand weiter reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der zumindest eine Einpressstift auf einer Leiterbahn der ersten Leiterplatte oder auf dem Hitzeverteilerelement angeordnet. Der zumindest eine Einpressstift kann ein erstes Ende beziehungsweise einen Fuß aufweisen, welches beziehungsweise welcher mit der ersten Leiterplatte verbunden werden kann. Beispielsweise kann der Einpressstift auf die elektrisch isolierende Schicht der zweiten Leiterplatte aufgebracht werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Einpressstift auf eine Leiterbahn der ersten Leiterplatte aufgebracht wird. Alternativ dazu kann der zumindest eine Einpressstift auf dem Hitzeverteilerelement befestigt werden. Hierbei kann zwischen dem Einpressstift und dem Hitzeverteilerelement ein Isolator angeordnet werden. Zur Befestigung des Einpressstifts beziehungsweise der Einpressstifte kann ein Lötverfahren verwendet werden. Insgesamt kann somit auf einfach Weise eine Verbindung zwischen dem zumindest einen Einpressstift und der ersten Leiterplatte bereitgestellt werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Elektronikkomponente ein Trägerelement zum Halten des zumindest einen Einpressstifts aufweist. Bevorzugt kann die Elektronikkomponente eine Mehrzahl von Einpressstiften mit jeweiligen Lötanschlusselementen aufweisen. Diese Einpressstifte können jeweils an dem Trägerelement gehalten sein. Das Trägerelement kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, gefertigt sein. Beispielsweise kann das Trägerelement im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet sein. Das Trägerelement kann zudem entsprechende Ausnehmungen oder Öffnungen zur Aufnahme der jeweiligen Einpressstifte aufweisen. Mittels des Trägerelements können die jeweiligen Einpressstifte mit exakter Position zusammengehalten werden. Ferner kann das Trägerelement als Kontaktfläche für einen Bestücker, beispielsweise einen SMD-Bestücker, dienen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, welches zumindest eine erfindungsgemäße Elektronikkomponente aufweist. Die zumindest eine Elektronikkomponente kann Teil der Fahrzeugelektronik sein. Das Fahrzeug kann als zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug ausgebildet sein. Das Fahrzeug ist bevorzugt ein Personenkraftwagen. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Fahrzeug ein Nutzfahrzeug ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen einer Elektronikkomponente für ein Fahrzeug. Bei dem Verfahren wird auf einer ersten Leiterplatte ein Halbleiterbauelement angeordnet. Auf einer zweiten Leiterplatte wird eine Treiberschaltung für das Halbleiterbauelement angeordnet. Des Weiteren wird eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte mittels zumindest eines Einpressstifts bereitgestellt. Ferner ist vorgesehen, dass an dem zumindest einen Einpressstift ein Lötanschlusselement angeordnet wird und das Anschlusselement mit dem Halbleiterbauelement elektrisch verbunden wird.
Zunächst kann die erste Leiterplatte gefertigt werden. Im Anschluss daran kann eine Lötpaste auf die erste Leiterplatte aufgebracht werden. Danach kann die erste Leiterplatte mit den Komponenten und insbesondere dem Halbleiterbauelement bestückt werden. Parallel dazu oder anschließend kann die zweite Leiterplatte hergestellt werden und mit den Komponenten bestückt werden. Schließlich können die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden werden.
In einer Ausführungsform wird für die elektrische Verbindung zwischen dem Lötanschlusselement und dem Halbleiterbauelement eine Lötpaste auf einen elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements aufgebracht. Die erste Leiterplatte kann mit dem Halbleiterbauelement und weiteren Bauteilen bis auf den zumindest einen Einpressstift bestückt werden. Danach kann die Lötpaste auf die elektrischen Anschlüsse auf der Vorderseite des Halbleiterbauelements aufgebracht werden. Im Anschluss daran kann die Bestückung des Einpressstifts beziehungsweise der Einpressstifte erfolgen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird für die elektrische Verbindung zwischen dem Lötanschlusselement und dem Halbleiterbauelement eine Lötpaste auf eine Kontaktfläche des Lötanschlusselements aufgebracht. Hierbei kann zunächst eine Vorfertigung des Einpressstifts beziehungsweise der Einpressstifte erfolgen. Diese können beispielsweise mit dem Trägerelement verbunden werden. Zudem kann die Lötpaste auf die Kontaktflächen der Lötanschlusselemente aufgebracht werden. Diese Kontaktfläche kann sich auf einer Unterseite beziehungsweise der Seite befinden, welche bei der bestimmungsgemäßen Anordnung des Einpressstifts zu dem Halbleiterbauelement zugewandt ist. Danach kann die erste Leiterplatte mit allen Bauteilen inklusive des zumindest einen Einpressstifts bestückt werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn ein erstes Ende des zumindest einen Einpressstifts mit der ersten Leiterplatte verbunden wird und anschließend ein zweites Ende des zumindest einen Einpressstifts in eine Durchgangsöffnung der zweiten Leiterplatte gepresst wird. Die zweite Leiterplatte kann entsprechende Öffnungen beziehungsweise Bohrungen aufweisen, in welche die zweiten Enden der jeweiligen Einpressstifte eingepresst werden. Die beim Einpressen auftretenden Kräfte werden somit direkt von dem Einpressstift auf die erste Leiterplatte geleitet. Die Lötanschlusselemente und das Halbleiterbauelement werden mit keinen Kräften belastet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Elektronikkomponente vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Elektronikkomponente gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Elektronikkomponente gemäß einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung, wobei die Elektronikkomponente eine erste Leiterplatte mit einem Halbleiterbauelement und eine zweite Leiterplatte mit einer Treiberschaltung aufweist;
3 eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements in einer Draufsicht;
4 eine Mehrzahl von Einpressstiften, welche an einem Trägerelement gehalten sind;
5 eine Mehrzahl von Einpressstiften, wobei jeweilige Lötanschlusselemente der Einpressstifte mit elektrischen Anschlüssen eines Halbleiterbauelements verbunden sind;
6 eine schematische Darstellung einer Elektronikkomponente gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei die Elektronikkomponente ein Hitzeverteilungselement und ein Trägerelement aufweist;
7 eine schematische Darstellung einer Elektronikkomponente gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei die Elektronikkomponente ein Hitzeverteilungselement aufweist; und
8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektronikkomponente.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Elektronikkomponente 1, welche in einem Fahrzeug verwendet werden kann, in einer geschnittenen Seitenansicht. Die Elektronikkomponente 1 umfasst eine erste Leiterplatte 2 und eine zweite Leiterplatte 3. Auf der ersten Leiterplatte 2 ist ein Halbleiterbauelement 4 in Form eines Transistors beziehungsweise Leistungstransistors angeordnet. Das Halbleiterbauelement 4 umfasst einen Halbleiterchip 5, welcher in einem Gehäuse 6 angeordnet ist. Der Halbleiterchip 5 ist über einen Bonddraht 7 mit einem elektrischen Anschluss 8 des Halbleiterbauelements 4 elektrisch verbunden.
Auf der zweiten Leiterplatte 3, welche parallel zur ersten Leiterplatte 2 angeordnet ist, ist eine Treiberschaltung 9 zur Ansteuerung des Halbleiterbauelements 4 vorgesehen. Die Treiberschaltung 9 umfasst mehrere Bauelemente 10, von denen vorliegend beispielhaft zwei Bauelemente 10 dargestellt sind. Bei der zweiten Leiterplatte 3 kann es sich um eine FR-4-Leiterplatte handeln. Die erste Leiterplatte 2 und die zweite Leiterplatte 3 sind mittels eines Einpressstifts 11 elektrisch miteinander verbunden. Der Einpressstift 11 weist ein erstes Ende 12 beziehungsweise einen Fußbereich auf, welches beziehungsweise welcher mit der ersten Leiterplatte 2 verbunden ist. Dabei kann das erste Ende 12 des Einpressstifts 11 mittels einer Lötverbindung mit der ersten Leiterplatte 2 verbunden sein. Ferner weist der Einpressstift 11 ein zweites Ende 13 beziehungsweise eine Spitze auf, welches beziehungsweise welche in eine Durchgangsöffnung 14 der zweiten Leiterplatte 3 eingepresst ist. Die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 5 zu der Treiberschaltung 9 verläuft vorliegend über den Bonddraht 7, den elektrischen Anschluss 8, eine Leiterbahn 15 und den Einpressstift 11. Somit ergibt sich eine lange elektrische Verbindungsstrecke, welche vorliegend durch den Pfeil 16 veranschaulicht ist.
Die erste Leiterplatte 2 weist ein isoliertes Metallsubstrat 17 auf, welches beispielsweise als Aluminium gefertigt sein kann. Zwischen dem Metallsubstrat 17 und der Leiterbahn 15 auf der Oberseite der ersten Leiterplatte 2 ist eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 18 aufgebracht. Zudem ist das Metallsubstrat 17 mit einem Kühlkörper 19 verbunden. Damit kann eine gute Kühlanbindung erreicht werden und die im Betrieb des Halbleiterbauelements 4 entstehende Wärme kann an den Kühlkörper 19 abgeführt werden. Dies ist vorliegende durch den Pfeil 20 veranschaulicht.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronikkomponente 1 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer geschnittenen Seitenansicht. Auch diese Elektronikkomponente 1 umfasst die erste Leiterplatte 2 und die zweite Leiterplatte 3. Die zweite Leiterplatte 3 umfasst ebenfalls die Treiberschaltung 9 mit den Bauelementen 10. Die erste Leiterplatte 2 umfasst auch das Metallsubstrat 17, welches mit dem Kühlkörper 19 verbunden ist. Zur besonders effizienten Kühlung kann anstelle eines Kühlkörpers 19 die den Halbleitern abgewandte Seite direkt von einer Kühlflüssigkeit angeströmt werden. Das Halbleiterbauelement 4 weist ebenfalls einen Halbleiterchip 5 auf, wobei der Halbleiterchip 5 aus dem Halbleitermaterial Galliumnitrid oder Siliciumcarbid hergestellt sein kann. Diese Halbleitermaterialien ermöglichen schnelle Schaltfrequenzen. Das Gehäuse 6 des Halbleiterbauelements 4 ist im Vergleich zu dem Halbleiterbauelement 4 gemäß 1 flach ausgebildet. Die Gehäuseform des Halbleiterbauelements 4 kann ein GaNPX®-T-Gehäuse sein.
3 zeigt dieses Halbleiterbauelement 4 in einer Draufsicht beziehungsweise von einer Vorderseite 21. Hierbei ist zu erkennen, dass das Halbleiterbauelement 4 an der Vorderseite 21 eine Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 22 aufweist. Die elektrischen Anschlüsse 22 sind im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Diese elektrischen Anschlüsse 22 beziehungsweise Schnittstellen sind niederohmig und weisen geringe Induktivitäten auf. An einer Rückseite 23 weist das Halbleiterbauelement 4 einen thermischen Anschluss 24 auf, über welchen die im Betrieb des Halbleiterbauelements 4 entstehende Wärme über das Metallsubstrat 17 an den Kühlkörper 19 abgeführt werden kann. Vorliegend ist der thermische Anschluss 24 auf der Rückseite 23 angedeutet. Auch der thermische Anschluss 24 ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Ferner bedeckt der thermische Anschluss 24 einen überwiegenden Teil der Rückseite 23 des Halbleiterbauelements 4. Der thermische Anschluss kann auch als großflächiger elektrischer Anschluss dienen. So lässt sich damit beispielsweise die Rückseite des Halbleiterchips 5 elektrisch kontaktieren.
Vorliegend sind die erste Leiterplatte 2 und die zweite Leiterplatte 3 mit zwei Einpressstiften 11 elektrisch verbunden. An den jeweiligen Einpressstiften 11 ist zudem ein Lötanschlusselement 25 angeordnet. Dieses Lötanschlusselement 25 kann auch als Lötfahne bezeichnet werden. Dabei ist das Lötanschlusselement 25 elektrisch und mechanisch mit dem Einpressstift 11 verbunden. Ferner weist das Lötanschlusselement 25 an einer dem Halbleiterbauelement 4 zugewandten Seite eine Kontaktfläche 26 auf. Diese Kontaktfläche 26 kann mittels einer Lötverbindung mit einem der elektrischen Anschlüsse 22 des Halbleiterbauelements 4 verbunden werden. Vorliegend ist die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen elektrischen Anschlüssen 22 des Halbleiterbauelements 4 und der Treiberschaltung 9 nur über das Lötanschlusselement 25 und den Einpressstift 11 bereitgestellt. Damit kann die Länge der elektrischen Verbindung deutlich reduziert werden. Dies ist vorliegend durch den Pfeil 27 veranschaulicht. Damit kann das Halbleiterbauelement 4 optimal eingesetzt werden. Durch die flache Bauform des Halbleiterbauelements 4 kann zudem der Abstand zwischen der ersten Leiterplatte 2 und der zweite Leiterplatte 3 entlang einer Hochrichtung der Elektronikkomponente 1 reduziert werden. Dies ist vorliegend durch den Pfeil 28 gezeigt. Auch bei dieser Elektronikkomponente 1 kann eine gute Wärmeabfuhr von dem thermischen Anschluss 24 des Halbleiterbauelements 4 über das Metallsubstrat 17 zu dem Kühlkörper 19 oder der Kühlflüssigkeit erreicht werden.
4 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Mehrzahl von Einpressstiften 11, welche jeweils ein zuvor beschriebenes Lötanschlusselement 25 aufweisen. Hierbei ist zu erkennen, dass die jeweiligen Lötanschlusselemente 25 nach Art eines gebogenen Blechs ausgebildet sein können. Die Kontaktfläche 26 des Lötanschlusselements 25 verläuft parallel zu den elektrischen Anschlüssen 22 des Halbleiterbauelements 4. Darüber hinaus sind die jeweiligen Einpressstifte 11 an einem Trägerelement 29 gehalten. Dieses Trägerelement 29 kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, gefertigt sein. Das Trägerelement 29 weist zudem entsprechende Ausnehmungen 30 auf, in welchen die jeweiligen Einpressstifte 11 bereichsweise angeordnet beziehungsweise gehalten sind. Damit können die jeweiligen Einpressstifte 11 an der gewünschten Position gehalten werden und entsprechend montiert werden. Durch das Trägerelement 29 sind die Einpressstifte 11 zu einer Gruppe zusammengefasst. Zudem kann der Verbund der Einpressstifte 11 mittels eines Bestückers auf der ersten Leiterplatte 2 positioniert werden.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Mehrzahl von Einpressstiften 11, welche jeweils ein Lötanschlusselement 25 aufweisen. Auch diese Einpressstifte 11 sind jeweils mittels eines Trägerelements 29 gehalten und miteinander verbunden. Ferner ist die Verbindung der jeweiligen Lötanschlusselemente 25 mit den elektrischen Anschlüssen 22 des Halbleiterbauelements 4 gezeigt. Zur elektrischen Verbindung zwischen den jeweiligen elektrischen Anschlüssen 22 und die Kontaktflächen 26 der Lötanschlusselemente 25 kann eine Lötpaste auf die elektrischen Anschlüsse 22 und/oder die Lötanschlusselemente 25 und die Lötverbindung mittels eines Reflow-Prozesses hergestellt werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronikkomponente 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer geschnittenen Seitenansicht. Auch diese Elektronikkomponente 1 weist die erste Leiterplatte 2 mit dem Halbleiterbauelement 4 und die zweite Leiterplatte 3 mit der Treiberschaltung 9 auf. Auch hier erfolgt die elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten 2, 3 über die Einpressstifte 11, welche jeweils ein Lötanschlusselement 25 aufweisen. Dabei sind die Einpressstifte 11 an dem Trägerelement 29 gehalten. Zudem ist zwischen dem Halbleiterbauelement 4 und dem Metallsubstrat 17 ein Hitzeverteilerelement 31 angeordnet. Dieses Hitzeverteilerelement 31 dient dazu, die Wärme des Halbleiterbauelements 4 flächig auf das Metallsubstrat 17 verteilen. Die Fläche des Hitzeverteilerelements 31 kann etwa der vierfachen Fläche des thermischen Anschlusses 24 entsprechen. Dadurch wird der relativ hohe thermische Widerstand der Isolationsschicht 18 kompensiert, da bei sehr hoher thermischer Leitfähigkeit des Hitzeverteilers die Übertragungsfläche senkrecht zur Isolationsschicht beispielsweise um den Faktor vier vergrößert wird. In gleichem Maße reduziert sich bei hohen Verlustleistungen von zum Beispiel 10W im Halbleiterbauelement 4 die Temperaturdifferenz zwischen Halbleiterbauelement 4 und Metallsubstrat 17 in etwa um ein Viertel.
7 zeigt eine Elektronikkomponente 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser Elektronikkomponente 1 weist das Hitzeverteilerelement 31 im Vergleich zu dem Hitzeverteilerelement 31 gemäß 6 eine größere Fläche auf. Die Fläche des Hitzeverteilerelements 31 kann größer als die vierfache Fläche des thermischen Anschlusses 24 sein. Dadurch kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Halbleiterbauelement 4 und dem Metallsubstrat 17 beziehungsweise dem Kühlkörper 19 weiter reduziert werden. Zudem sind die Einpressstifte 11 auf dem Hitzeverteilerelement 31 gehalten. Hier dient das Hitzeverteilerelement 31 als Träger für das Halbleiterbauelement 4 und die Einpressstifte 11. Dabei ist zwischen den jeweiligen Einpressstiften 11 und dem Hitzeverteilerelement 31 zur elektrischen Trennung ein Isolator 32 angeordnet. Die in den Beispielen von 6 und 7 gezeigten Hitzeverteilerelemente 31 können auch eine geringere Dicke aufweisen, um die Wärme direkt nach unten und weniger zu den Seiten zu verteilen.
8 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektronikkomponente 1. Dabei wird in einem Schritt S1 die zweite Leiterplatte 3 hergestellt. Hierzu kann die zweite Leiterplatte 3 mit den Bauelementen 10, welche Treiberschaltung 9 bilden, bestückt werden. Zudem kann die zweite Leiterplatte 3 entsprechend gelötet werden. In einem Schritt S2 kann die erste Leiterplatte 2 gefertigt werden. Auf die erste Leiterplatte 2 kann zudem die Lötpaste aufgetragen werden. In einem Schritt S3 kann dann die erste Leiterplatte 2 mit allen Bauteilen außer den Einpressstiften 11 bestückt werden. Darüber hinaus kann Lötpaste auf die elektrischen Anschlüsse 22 des Halbleiterbauelements 4 aufgetragen werden. Im Anschluss daran kann die erste Leiterplatte 2 mit den Einpressstiften 11 bestückt werden. In einem Schritt S4 kann das Löten der ersten Leiterplatte 2 durchgeführt werden. Ferner kann eine eventuelle Montage der ersten Leiterplatte 2 und weiterer Teile vorgesehen sein. Zudem werden die erste Leiterplatte 2 und die zweite Leiterplatte 3 miteinander verbunden.
Bei einem alternativen Herstellungsverfahren kann in einem Schritt S5 eine Vorfertigung der Gruppe von Einpressstiften 11 durchgeführt werden. Hierbei kann auf die jeweilige Kontaktfläche 26 der Lötanschlusselement 25 eine Lötpaste aufgebracht werden. In einem Schritt S6 kann dann die erste Leiterplatte 2 mit allen Bauteilen inklusive der Gruppe von Einpressstiften 11 bestückt werden. Dabei können die Schritte S5 und S6 alternativ zu dem Schritt S2 und S3 durchgeführt werden.
Die vorgestellten Elektronikkomponenten 1 weisen im Vergleich zu bekannten Elektronikkomponenten 1 deutliche Vorteile auf. Bei bekannten Anordnungen, beispielsweise mit der Gehäuseform GaNPX®-T, werden die elektrischen Anschlüsse 22 auf eine Leiterplatte gelötet. Der thermische Anschluss 24 kann beispielsweise über eine Wärmeleitpaste mit einem Kühlkörper verbunden werden. Diese Wärmeleitpaste hat einen hohen thermischen Widerstand. Hier ergibt sich bei der Annahme eines thermischen Widerstands von 0,5 K/W und einer Verlustleistung des Halbleiters von 10 W eine Temperaturdifferenz zwischen Halbleiter und Gehäuse von 5 K. Insgesamt führt dies zu einer schlechten Wärmeabfuhr und einer Eigenerwärmung des Halbleiters. Bei der Verwendung von Wärmesenken über der Vorderseite des Halbleiterbauelements 4 ist aufgrund der unterschiedlichen Höhen der Bauteile die Kontur der Wärmesenke anzupassen.
Bei den hier vorgestellten Elektronikkomponenten 1 kann einerseits eine gute thermische Anbindung des Halbleiterbauelements 4 an das Metallsubstrat 17 ermöglicht werden. Andererseits kann eine gute elektrische Anbindung des Halbleiterbauelements 4 an die Treiberschaltung 9 auf der zweiten Leiterplatte 3 erreicht werden. Beide Leiterplatten 2, 3 können eine ebene Oberfläche aufweisen. Es sind keine Konturen für unterschiedlich hohe Bauteile erforderlich. Bei dem Einpressen der Einpressstifte 11 auftretende Kräfte werden direkt von den Einpressstiften 11 auf die erste Leiterplatte 2 geleitet. Die Lötanschlusselemente 25 und der Halbleiterchip 5 werden nicht mit Kräften belastet. Darüber hinaus können Standard-Techniken für die Herstellung der Elektronikkomponente 1 verwendet werden. Außerdem zentrieren sich die Einpressstifte 11 und die Lötanschlusselemente 25 bei dem Lötprozess über die Oberflächenspannung des Lots. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Volumenbedarf und Flächenbedarf der Elektronikkomponente 1. Ferner gibt sich eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der Produktion der Einpressstifte 11 und deren Gruppierung sowie der Montage auf der ersten Leiterplatte 2.
Bezugszeichenliste

1: Elektronikkomponente
2: erste Leiterplatte
3: zweite Leiterplatte
4: Halbleiterbauelement
5: Halbleiterchip
6: Gehäuse
7: Bonddraht
8: Anschlusselement
9: Treiberschaltung
10: Bauelement
11: Einpressstift
12: Ende
13: Ende
14: Durchgangsöffnung
15: Leiterbahn
16: Pfeil
17: Metallsubstrat
18: Isolationsschicht
19: Kühlkörper
20: Pfeil
21: Vorderseite
22: elektrischer Anschluss
23: Rückseite
24: thermischer Anschluss
25: Lötanschlusselement
26: Kontaktfläche
27: Pfeil
28: Pfeil
29: Trägerelement
30: Ausnehmung
31: Hitzeverteilerelement
32: Isolator
S1 bis S6: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1796217 B1 [0006]

Claims

Elektronikkomponente (1) für ein Fahrzeug, umfassend eine erste Leiterplatte (2), auf welcher ein Halbleiterbauelement (4) angeordnet ist, eine zweite Leiterplatte (3), auf welcher eine Treiberschaltung (9) für das Halbleiterbauelement (4) angeordnet ist, und zumindest einen Einpressstift (11) zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte (2) und der zweiten Leiterplatte (3), dadurch gekennzeichnet, dass an dem zumindest einen Einpressstift (11) ein Lötanschlusselement (25) angeordnet ist, welches mit dem Halbleiterbauelement (4) elektrisch verbunden ist.
Elektronikkomponente (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (2) ein isoliertes Metallsubstrat (17) aufweist, wobei das Metallsubstrat (17) mit einem Kühlkörper (19) thermisch gekoppelt ist.
Elektronikkomponente (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (4) an einer Vorderseite (21) eine Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen (22) aufweist und an einer Rückseite (23) einen thermischen Anschluss (24) aufweist, wobei einer der elektrischen Anschlüsse (22) mit dem Lötanschlusselement (25) des zumindest einen Einpressstifts (11) verbunden ist und der thermische Anschluss (24) mit dem Metallsubstrat (17) thermisch gekoppelt ist.
Elektronikkomponente (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kühlkörper (19) und dem Metallsubstrat (17) ein Hitzeverteilerelement (31) angeordnet ist.
Elektronikkomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Einpressstift auf einer Leiterbahn (15) der ersten Leiterplatte (2) oder einem Hitzeverteilerelement (31) angeordnet ist.
Elektronikkomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikkomponente (1) ein Trägerelement (29) zum Halten des zumindest einen Einpressstifts (11) aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Elektronikkomponente (1) für ein Fahrzeug, bei welchem auf einer ersten Leiterplatte (2) ein Halbleiterbauelement (4) angeordnet wird, auf einer zweiten Leiterplatte (3) eine Treiberschaltung (9) für das Halbleiterbauelement (4) angeordnet wird und eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte (2) und der zweiten Leiterplatte (3) mittels zumindest eines Einpressstifts (11) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zumindest einen Einpressstift (11) ein Lötanschlusselement (25) angeordnet wird und das Lötanschlusselement (25) mit dem Halbleiterbauelement (4) elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrische Verbindung zwischen dem Lötanschlusselement (25) und dem Halbleiterbauelement (4) eine Lötpaste auf einen elektrischen Anschluss (22) des Halbleiterbauelements (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrische Verbindung zwischen dem Lötanschlusselement (25) und dem Halbleiterbauelement (4) eine Lötpaste auf eine Kontaktfläche (26) des Lötanschlusselements (25) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende (12) des zumindest einen Einpressstifts (11) mit der ersten Leiterplatte (2) verbunden wird und anschließend ein zweites Ende (13) des zumindest einen Einpressstifts (13) in eine Durchgangsöffnung (14) der zweiten Leiterplatte (3) gepresst wird.