DE19546285A1 - Elektronisches Modul - Google Patents
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Description
In vielen Anwendungsbereichen besteht das Bedürfnis, mittels einer Verbin
dungsschicht zwei aus unterschiedlichen Materialien bestehende Fügepart
ner zu verbinden (zusammenzufügen) - insbesondere zur Herstellung eines
elektrisch leitenden Kontakts und/oder eines mechanisch stabilen Kontakts
und/oder eines wärmeleitenden Kontakts zwischen den beiden Fügepart
nern. Beispielsweise muß bei aus mehreren Einzelteilen bestehenden elek
tronischen Modulen in vielen Fällen die Verlustleistung von auf einem Sub
stratkörper (bsp. einer keramischen Leiterplatte) angeordneten Halbleiter
bauelementen einer Schaltungsanordnung (insbesondere von
Leistungs-Halbleiterbauelementen) über eine Verbindungsschicht (Fügeschicht) an ei
nen Trägerkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit (bsp. einen Aluminium-Kühl
körper) abgeführt werden. Um sowohl eine mechanisch stabile als auch eine
gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Substratkörper und dem Trä
gerkörper zu gewährleisten, muß zwischen dem Substratkörper und dem
Trägerkörper eine homogene, gut haftende Verbindungsschicht mit hohem
Wärmeleitvermögen angeordnet sein; aus diesem Grund wird die Verbin
dungsschicht meist aus einer lötbaren, auf den Substratkörper und/oder
den Trägerkörper aufgebrachten und mittels eines Lötprozesses aufge
schmolzenen Metallegierung hergestellt, die man anhand eines vorgegebe
nen Temperaturprofils wieder erstarren läßt.
Oftmals wird das elektronische Modul in Umgebungen mit großen Tempera
turschwankungen eingesetzt; beispielsweise können die vorzugsweise im
Motorraum untergebrachten, zur Steuerung verschiedener Aggregatefunk
tionen (Motor, Getriebe etc.) vorgesehen elektronischen Steuermodule
(Steuergeräte) eines Kraftfahrzeugs Temperaturen von -40°C bis +150°C
ausgesetzt sein. Temperaturschwankungen bzw. Temperaturwechsel führen
jedoch zu thermischen Belastungen, insbesondere dann, wenn die Zahl der
Temperaturwechsel hoch ist, wenn die Verbindungsfläche (Fügefläche) der
Verbindungsschicht zwischen den beiden Fügepartnern groß ist und wenn
die Materialien der beiden Fügepartner einen stark unterschiedlichen ther
mischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen (bsp. beträgt der thermische
Ausdehnungskoeffizient einer keramischen Leiterplatte 6·10-6/°C, der ther
mische Ausdehnungskoeffizient eines aus Aluminium bestehenden Kühlkör
pers dagegen 24·10-6/°C): als Folge der thermischen Belastungen werden
einerseits thermo-mechanische Spannungen vom Trägerkörper (Kühlkörper)
auf den Substratkörper (Leiterplatte) und die Lötstellen der Halbleiterbau
elemente der Schaltungsanordnung übertragen (mechanisch induzierter
Streß), was nach einer bestimmten Belastungszeit bzw. einer bestimmten
Anzahl von Temperaturwechseln zur Ermüdung und zum Bruch der Lötstel
len führt, und andererseits Bimetalleffekte hervorgerufen, die zu einem
Durchbiegen des Substratkörpers (der Leiterplatte) führen können, was ins
besondere bei elektronischen Modulen mit großem Funktionsumfang (hier
zu sind eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen erforderlich) und daher
großflächigem Substratkörper (Leiterplatte) problematisch ist. Folglich wird
die Zuverlässigkeit und die Langzeitstabilität der Lötstellen der Halbleiter
bauelemente der Schaltungsanordnung drastisch reduziert (insbesondere
bei hohen thermischen Belastungen) und hierdurch die Lebensdauer der
elektronischen Module (in der Regel werden hierfür mehr als 15 Jahre gefor
dert) vermindert sowie der Anwendungsbereich der elektronischen Module
stark eingeschränkt.
Um eine ausreichende Entkoppelung der beiden Fügepartner Substratkör
per und Trägerkörper sicherzustellen, kann die Dicke der Verbindungs
schicht vergrößert werden; jedoch wird hierdurch das Wärmeleitvermögen
der Verbindungsschicht negativ beeinflußt. Demzufolge sollte die Verbin
dungsschicht zwischen den beiden Fügepartnern Substratkörper und Trä
gerkörper eine ganz bestimmte vorgebbare Dicke aufweisen; diese Dicke
muß einerseits ausreichend groß zur Minimierung der aufgrund von Tem
peraturwechseln entstehenden thermischen Belastung und andererseits
genügend gering zur Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeleitung
sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Modul gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem die Dicke der
Verbindungsschicht auf einfache Weise definiert vorgegeben werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzei
chen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Beim vorgestellten elektronischen Modul wird zur ganzflächigen Verbin
dung des die Schaltungsanordnung mit den Halbleiterbauelementen auf
nehmenden Substratkörpers (beispielsweise eine Leiterplatte) und des Trä
gerkörpers (beispielsweise ein Kühlkörper) eine aus drei Bestandteilen zu
sammengesetzte Metallmatrix als Lötmatrix herangezogen: eine Grundkom
ponente, eine in der Grundkomponente statistisch verteilte Zusatzkompo
nente und Zuschlagsmaterialien. Die Grundkomponente besteht dabei aus
einem lötbaren Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem
Schmelzpunkt (beispielsweise eine Metallegierung eutektischer Zusammen
setzung) und die Zusatzkomponente aus einer Vielzahl von Kugeln eines löt
baren Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit, ähnlicher Materialzusammen
setzung wie das Material der Grundkomponente und höherem Schmelz
punkt als das Material der Grundkomponente; die Zuschlagsmaterialien
(Flußmittel, Lösungsmittel . . . ) dienen zur Verbesserung der Lötbarkeit der
Lötmatrix. Die Lötmatrix wird auf mindestens einen der beiden Fügepartner
(Substratkörper oder/und Trägerkörper) gleichmäßig und flächenschlüssig
aufgebracht und mittels eines Lötvorgangs (Lötprozesses) aufgeschmolzen;
hierdurch werden zum einen die in der Lötmatrix enthaltenen
Zuschlagsmaterialien (Flußmittel, Lösungsmittel . . . ) entfernt, zum andern
werden die Kugeln der Zusatzkomponente mit dem Material der Grund
komponente verbunden. Nach dem Abkühlvorgang und dem Erstarren der
aufgeschmolzenen Lötmatrix erhält man eine homogene, mechanisch
stabile, gut wärmeleitfähige Verbindungsschicht mit einer vom Durch
messer der Kugeln der Zusatzkomponente abhängigen definierten Dicke.
Der Durchmesser der als "Abstandshalter" wirkenden Kugeln der Zusatzkom
ponente und damit die Dicke der Verbindungsschicht wird so gewählt, daß
sich einerseits aufgrund der Separationswirkung der Verbindungsschicht
Substratkörper und Trägerkörper thermisch unabhängig voneinander aus
dehnen können (dies führt zur "mechanischen Entkopplung" von Substrat
körper und Trägerkörper, ein Bimetalleffekt wird vermieden), und daß an
dererseits eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit gegeben ist (dies bedingt
eine gute Wärmeableitung der Verlustleistung der Halbleiterbauelemente
der Schaltungsanordnung vom Substratkörper hin zum Trägerkörper); der
Durchmesser der in die Grundkomponente eingebrachten Kugeln der Zu
satzkomponente wird maximal so groß wie die Dicke der Lötmatrix, jedoch
etwas größer als die vorzugebende Dicke der Verbindungsschicht gewählt,
da durch den Aufschmelzvorgang beim Lötvorgang ein geringer Volumen
schwund der Kugeln der Zusatzkomponente (und eine geringe Abweichung
von der Kugelgestalt) auftreten kann.
Die Materialeigenschaften der Kugeln der Zusatzkomponente und die räum
liche Verteilung der Kugeln der Zusatzkomponente in der Grundkomponen
te werden so gewählt, daß ein homogenes Gefüge der beiden Komponen
ten innerhalb der Lötmatrix sowie innerhalb der nach dem Lötvorgang ge
bildeten Verbindungsschicht und eine hohe thermische Stabilität der Ver
bindungsschicht zwischen Substratkörper und Trägerkörper in einem gro
ßen Temperaturbereich (und somit eine lange Lebensdauer der Verbin
dungsschicht) erreicht wird; hierzu besitzen die Kugeln der Zusatzkompo
nente eine ähnliche Materialzusammensetzung wie das Material der Grund
komponente - dies bewirkt eine "innige" Verbindung der Bestandteile
Grundkomponente und Zusatzkomponente innerhalb der Lötmatrix und in
nerhalb der nach dem Lötvorgang gebildeten Verbindungsschicht - sowie ei
nen höheren Schmelzpunkt als das Material der Grundkomponente - hier
durch bleibt die Kugelgestalt der Zusatzkomponente beim Lötvorgang weit
gehend erhalten (der Schmelzpunkt des Materials der Grundkomponente
und des Materials der Zusatzkomponente kann hierbei durch geeignete
Wahl der Materialien bzw. der Materialzusammensetzung von Grundkompo
nente und Zusatzkomponente an die Gegebenheiten des jeweils vorgesehe
nen Lötvorgangs angepaßt werden).
Beispielsweise kann die Grundkomponente der Lötmatrix aus einem metalli
schen Mehrstoffsystem (bsp. Zweistoffsystem, Dreistoffsystem) bestehen, d. h.
einer Metallegierung mit mehreren unterschiedlichen metallischen Be
standteilen; hiervon ausgehend kann durch Variation der Zusammensetzung
des Mehrstoffsystems und/oder des prozentualen Anteils mindestens zweier
Bestandteile des Mehrstoffsystems die Zusammensetzung des Materials der
Zusatzkomponente abgeleitet werden. Weiterhin können die Eigenschaften
(bsp. der Schmelzpunkt) des Materials der Grundkomponente und des
Materials der Zusatzkomponente durch Variation der Zusammensetzung
und/oder des prozentualen Anteils der Bestandteile des Mehrstoffsystems
eingestellt werden; falls das Material der Grundkomponente eine eutekti
sche Zusammensetzung (niedrigst möglicher Schmelzpunkt) aufweist, be
sitzt das Material der Zusatzkomponente mit hiervon abweichen der prozen
tualer Zusammensetzung automatisch einen höheren Schmelzpunkt.
Vorteilhafterweise wird beim beschriebenen elektronischen Modul (insbe
sondere bei Modulen mit großflächigen Schaltungsanordnungen mit einer
Vielzahl von Halbleiterbauelementen)
- - durch geeignete Wahl von Grundkomponente und Zusatzkompo nente der Lötmatrix und deren Eigenschaften die Dicke der Verbin dungsschicht und die Eigenschaft der Verbindungsschicht beliebig reproduzierbar und an unterschiedliche Erfordernisse angepaßt vor gebbar,
- - infolge der unabhängig voneinander erfolgenden thermischen Aus dehnung von Substratkörper und Trägerkörper (mechanische Ent kopplung zwischen Trägerkörper und Substratkörper) bei thermi schen Belastungen bzw. thermo-mechanischen Spannungen der Streß innerhalb der Verbindungsschicht reduziert und hierdurch eine hohe Zuverlässigkeit der Lötstellen der Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung erreicht sowie ein Bimetalleffekt zwischen dem Substratkörper und dem Trägerkörper vermieden
- - durch die gute Wärmeableitung vom Substratkörper hin zum Träger körper eine ausreichende Ableitung der Verlustleistung der Halblei terbauelemente (insbesondere der Leistungs-Halbleiterbauelemente) der Schaltungsanordnung gewährleistet,
- - aufgrund der langen Lebensdauer die Zuverlässigkeit und daher auch die mögliche Betriebsdauer erhöht sowie ein weiter Einsatzbereich gewährleistet bzw. erst ermöglicht (auch bei hohen Belastungen und unterschiedlichen Temperaturanforderungen).
Weiterhin wird anhand der Zeichnung als Ausführungsbeispiel des elektroni
schen Moduls ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs beschrieben.
Gemäß der Schnittzeichnung der Figur besteht das beispielsweise im Motor
raum angeordnete großflächige Steuergerät mit planarer Montage der Halb
leiterbauelemente und vertikaler Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Halb
leiterbauelemente aus einer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden
und einen guten Korrosionsschutz bieten den metallischen Trägerplatte als
Trägerkörper 30 (beispielsweise aus Aluminium), einer beispielsweise aus Alu
miniumoxid (Al₂O₃) bestehenden keramischen Leiterplatte als Substratkörper
10, und einer auf der Oberseite 11 der Leiterplatte 10 planar angeordneten
Schaltungsanordnung 20 mit einer Vielzahl von passiven und aktiven
SMD-Halbleiterbauelementen 21, 22.
Zur großflächigen, homogenen, mechanisch stabilen und gut wärmeleitfähi
gen Verbindung zwischen der Leiterplatte 10 und der Trägerplatte 30 wird
- a) eine Lötmatrix als Ausgangsbasis der Verbindungsschicht 40 herge stellt, indem eine lötbare, mit Zuschlagsmaterialien (Lösungsmittel, Flußmittel) versehene, Grundkomponente 41 einer bestimmten Mate rialzusammensetzung (bsp. ein Lotpulver einer bestimmten Legie rung) herangezogen wird, und in diese "Lotpaste" eine Vielzahl von Kugeln als Zusatzkomponente 42 mit vom Material der Grundkompo nente 41 abweichen der Materialzusammensetzung auf geeignete Weise (bsp. mittels Schablonendruck oder mittels Dosierung) einge bracht und statistisch verteilt; das Material der Zusatzkomponente 42 (bsp. Weichlotkugeln aus einer bestimmten Metallegierung), weist einen deutlich höheren Schmelzpunkt als das Material der Grund komponente 41 (Schmelzpunktunterschied bsp. 50°C) und eine vorgegebene einheitliche Kugelgröße auf (Durchmesser bsp. 125 µm).
- b) die Lötmatrix auf mindestens einen der beiden Fügepartner Leiter platte 10, Trägerplatte 30 aufgebracht (bsp. auf die Unterseite 12 der Leiterplatte 10), wobei die Naßdicke der aufgetragenen Lötmatrix so gewählt wird, daß deren Schichtdicke nach dem Aufschmelzvorgang (dieser ist in der Regel mit einem Volumenschwund verbunden) min destens dem Durchmesser der Kugeln der Zusatzkomponente 42 ent spricht (vorzugsweise um 10% größer). Die Lötmatrix kann auch auf beide Fügepartner aufgetragen werden, wobei auf einen Fügepart ner auch eine Lötmatrix ohne Zusatzkomponente 42 (d. h. ohne "Ab standshalter") aufgebracht werden kann.
- c) mittels eines Lötvorgangs (hier sind alle bekannten Standard-Lötver fahren möglich, beispielsweise mittels Durchlauföfen oder Schutzgas) die Lötmatrix mit einer an deren Zusammensetzung angepaßten Temperatur-Zeit-Kurve umgeschmolzen, wobei die Zuschlagsmateria lien (Flußmittel) ausgetrieben werden und eine innige Verbindung der aufgeschmolzenen Grundkomponente 41 und der (bei geeignet gewählter Löttemperatur) nicht-aufgeschmolzenen und damit wei terhin annähernd Kugelgestalt aufweisenden (d. h. kugelförmigen) Zusatzkomponente 42 erfolgt. Falls erforderlich, können die Füge partner Leiterplatte 10 und Trägerplatte 30 in sogenannten Lötlehren mechanisch zueinander fixiert werden. Weiterhin kann das Auflegen geeigneter, federnd gelagerter Gewichte während des Lötvorgangs auf die Oberfläche eines der Fügepartner zu einer Verbesserung der Lötqualität führen.
Nach dem Erstarren der aufgeschmolzenen Lötmatrix erhält man somit eine
gut wärmeleitfähige, unempfindliche, thermisch stabile, sehr haftfähige, al
terungsbestandige Verbindungsschicht 40, die eine mechanische Entkopp
lung von Trägerplatte 30 und Leiterplatte 10 und somit die Zuverlässigkeit
des Steuergeräts gewährleistet.
Beispielsweise wird als Material der Grundkomponente 41 eine Metallegie
rung der Zusammensetzung 62% Zinn, 36% Blei und 2% Silber (Dreistoffsy
stem), mit einem Schmelzpunkt von 179°C, und als Material der Zusatzkom
ponente 42 reines Zinn ("Zinnkugeln") mit einem Schmelzpunkt von 230°C,
gewählt. Der prozentuale Anteil der Zusatzkomponente 42 in der Grund
komponente 41 ist gering und beträgt typischerweise 1-5%; der Durch
messer der Kugeln der Zusatzkomponente 42 liegt je nach einzustellender
Schichtdicke der Verbindungsschicht 40 typischerweise zwischen 80 µm und
150 µm (bsp. beträgt der Durchmesser der Kugeln 125 µm).
Claims (3)
1. Elektronisches Modul mit
- - einem Substratkörper (10),
- - einer Schaltungsanordnung (20) mit auf einer Oberflächenseite (11) des Substratkörpers (10) angeordneten Halbleiterbauelementen (21, 22),
- - einem Trägerkörper (30) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfä higkeit, auf dem Substratkörper (10) und Schaltungsanordnung (20) angeordnet sind,
- - einer Verbindungsschicht (40) zwischen der der Schaltungsanordnung (20) gegenüberliegenden Oberflächenseite (12) des Substratkörpers (10) und dem Trägerkörper (30),
dadurch gekennzeichnet:
- - die Verbindungsschicht (40) wird anhand des Lötvorgangs einer Löt matrix hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, die aus einer Grundkom ponente (41), einer statistisch in der Grundkomponente (41) verteil ten Zusatzkomponente (42) und Zuschlagsmaterialien zusammenge setzt und auf den Substratkörper (10) und/oder den Trägerkörper (30) aufgebracht ist,
- - die Zusatzkomponente (42) besteht aus einer Vielzahl von Kugeln, de ren Durchmesser höchstens so groß wie die Dicke der Lötmatrix und mindestens so groß wie die Dicke der zu bildenden Verbindungs schicht (40) ist,
- - das lötbare Material der Zusatzkomponente (42) weist einen höheren Schmelzpunkt als das lötbare Material der Grundkomponente (41) und eine ähnliche Materialzusammensetzung wie das Material der Grundkomponente (41) auf.
2. Steuermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material
der Grundkomponente (41) und das Material der Zusatzkomponente (42) als
lötbares Metall oder lötbare Metallegierung ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19546285A DE19546285A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Elektronisches Modul |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19546285A DE19546285A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Elektronisches Modul |
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DE19546285A1 true DE19546285A1 (de) | 1997-06-19 |
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ID=7779860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19546285A Ceased DE19546285A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Elektronisches Modul |
Country Status (1)
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