BE1023875B1 - Verbeterde soldeerpatroon en werkwijze voor het controleren van egaal smelten van soldeersel - Google Patents

Abstract

De huidige uitvinding betreft een verbeterd soldeerpatroon voor het aanbrengen van elektronische componenten op een substraat, een werkwijze hiervoor en het resulterende substraat met schakelingen waarbij minstens een gedeelte van de elektronische componenten op het substraat aangebracht werden met de werkwijze volgens de uitvinding.

Description

VERBETERDE SOLDEERPATROON EN WERKWIJZE VOOR HET CONTROLEREN VAN EGAAL SMELTEN VAN SOLDEERSEL

TECHNISCH DOMEIN

De uitvinding heeft betrekking op een verbeterd soldeerpatroon voor het aanbrengen van elektronische componenten op een substraat, een werkwijze hiervoor en het resulterende substraat met schakelingen waarbij minstens een gedeelte van de elektronische componenten op het substraat aangebracht werden met de werkwijze volgens de uitvinding.

STAND DER TECHNIEK

Bij het vasthechten van componenten op substraten wordt typisch gewerkt met soldeersel dat aangebracht wordt op een substraat op de gewenste plaatsen, waar vervolgens elektronische componenten op worden aangebracht, en waarna het van componenten voorziene substraat in een oven verhit wordt tot een temperatuur die het soldeersel laat smelten, zodoende de componenten verder te laten verbinden met het soldeersel en zodoende elektrisch te verbinden met het substraat (specifiek een geleidende metaal laag - koper - van het substraat).

De aanvrager merkte hierbij echter op dat er regelmatig problemen optreden met de positionering van de componenten tijdens en na het smelten. Immers, de componenten worden, door de steeds verdergaande miniaturisering, steeds lichter en kleiner, en zijn zodoende gevoeliger aan invloeden van buitenaf, zoals 'stromingen' of andere bewegingen in het smeltende soldeersel.

Een eerste voorbeeld hiervan is dat door ongelijkmatig smelten van soldeersel (door kleine verschillen in eigenschappen, door specifieke oven-karakteristieken of andere) dat verzakkingen kunnen optreden. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 3A. Een deel van het soldeersel dat al eerder smelt, waardoor de component (9) aan één zijde dieper wegzakt in het gesmolten soldeersel dan de andere zijde, zogenaamd 'tilten'. Dit leidt tot een ongelijkmatige laag soldeersel (7) wat bij veel toepassingen tot problemen kan leiden, zeker bij hoogvermogenstoepassingen waarbij warmte efficiënt afgevoerd moet worden van de component (9) naar het substraat (11) langs het soldeersel (7). Een ongelijkmatige laag soldeersel (7) kan zorgen voor beschadiging van de opliggende component doordat de dunnere stukken soldeersel een lagere elektrische weerstand hebben (korter pad) en daardoor ook meer stroom zullen geleiden, en er dus ook vanuit de component langs bepaalde zones (in Figuur 3A is dit aan de rechterzijde van de figuur) meer stroom loopt naar de laag soldeersel. Doordat hier typisch bij zeer hoge stromen gewerkt wordt (rond 100 A of meer), leidt dit tot een enorme warmteontwikkeling, wat tot oververhitting van de component kan leiden en het (catastrofaal) falen van de component.

Doordat een minimale dikte soldeersel moet voorzien worden tussen component en substraat, is er bovendien ook veel meer kans op afwijkende waarden in de dikte van de laag soldeersel, en komen situaties zoals in Figuur 3A geregeld voor, wat resulteert in waardeloze schakelingen (verlies in tijd, materiaal en productiecapaciteit). De minimale dikte van het soldeersel is nodig om verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënten tussen de component en (de koperlaag van) het substraat, waarbij het soldeersel fungeert als buffer om de thermische stress tussen component en substraat door de vele thermische cycli bij de finale toepassing van de schakeling, en vermijdt het vroegtijdig scheuren of kraken van de soldeerverbinding, waardoor de schakeling waardeloos wordt. Eén van de courante toepassingsgebieden is bijvoorbeeld de auto-industrie, waarbij de schakelingen onder meer gebruikt worden voor elektronische stuurbekrachtiging van (personen)wagens. Bij deze specifieke toepassing is het bijzonder duidelijk dat de schakeling aan veelvuldige, grote temperatuurwijzigingen wordt onderworpen bij gebruik. Zo kan een wagen, en de schakelingen, in de winter in rust een temperatuur van -20°C aanhouden. Bij gebruik kunnen componenten van de schakeling echter plots heel hoge stromen, en daaraan gepaarde warmte, genereren die zich verspreidt naar het koude substraat via de soldeerverbindingen, wat een plots verschil in expansie veroorzaakt tussen component en substraat. De soldeerverbindingen moeten trachten deze op te vangen als buffer, en dienen om die reden ook een gepaste dikte te hebben om deze rol te kunnen (blijven) vervullen. Bij verkeerde dikte kan dit leiden tot microscheuren en daarop volgend falen van de schakeling. Deze problematiek komt in mindere of meerdere mate ook voor bij andere toepassingen buiten de auto-industrie, die diende als verdere verduidelijking.

Een tweede probleem dat opgemerkt werd, was dat de componenten tijdens het smelten van het soldeersel soms ook roteerden in het vlak van het substraat, opnieuw door een ongelijkmatig smelten van het soldeersel. Lokale zones van gesmolten soldeersel treden op, opnieuw door lokale verschillen in smelttemperatuur of warmtetoevoer) met een andere oppervlaktespanning dan het soldeersel, neigen typisch een halve bol te vormen en zuigen hierbij naburig soldeersel aan. Dit gegeven kan zorgen voor de rotatie ("swimming" of "zwemmen") van componenten (9) op het soldeersel ten opzichte van de gewenste positionering (10), wat bij precisie-elektronica absoluut niet toegestaan kan worden. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 3B.

Andere problematieken werden nog opgemerkt, zoals zogenaamde soldeerspatten bij vacuüm trekken van de oven, wat voor problemen zorgt bij latere processen (wirebonding), alsook de aanwezigheid van luchtbellen in het soldeersel, wat dan weer voor een slechtere warmteoverdracht door het soldeersel zorgt tussen component en substraat, en tot lokale hotspots en voortijdig falen van de component kan leiden.

De huidige uitvinding beoogt een oplossing te vinden voor tenminste enkele van bovenvermelde problemen. US 2007/182008 speelt in op de problematiek van afwijkingen in de positionering van componenten op een substraat, maar tracht dit op te lossen door het substraat te vervormen en te voorzien van uitstulpingen die de component moeten ondersteunen. Echter, dit zorgt voor de noodzaak voor extra processen bij het vervaardigen van het substraat zelf, en dus een hogere kost. Bovendien worden de uitstulpingen disruptief aangebracht op het substraat, waardoor de structurele integriteit aangetast kan worden. Ook hebben dergelijke fijne aanpassingen een te hoge foutenmarge die de voordelen te niet doet. Ten slotte lost dit het probleem van 'zwemmende' componenten niet op, of onvoldoende. US 2002/070386 geeft een wijze aan om een component op een substraat aan te brengen waarbij afzonderlijke stroken van gelijke oppervlakte aan soldeersel worden voorzien, om op die manier zogenaamde tilting te reduceren. De voorgestelde oplossing zou echter slechts oplossingen bieden in één dimensies (niet in de lengte van de stroken van gelijke oppervlakte, en bovendien is er nog steeds het probleem van zwemmende componenten die roteren over smeltende soldeersel. US 7,223,681 geeft bepaalde aangepaste patronen voor ball grid arrays weer. Echter, deze zijn ongeschikt voor veel toepassingen, waaronder hoogvermogen elektronica doordat hier onvoldoende warmtetransfer gegarandeerd kan worden. Daarnaast worden geen maatregelen genomen tegen zogenaamde zwemmende componenten, en kost het aanbrengen van een ball grid array veel meer tijd, zeker gezien de complexere patronen, dan eenvoudigere soldeerpatronen, die via stencil kunnen aangebracht worden aan hoge snelheid. US 8,163,643 pakt specifiek de problematiek van het ongelijkmatig inzakken van componenten aan door het voorzien van een rooster van verschillende eilandjes soldeersel. Opnieuw biedt dit geen afdoende oplossing voor zwemmende componenten. JP 6 0260192 beschrijft de problematiek omtrent het 'tilten' van de componenten op soldeerlagen tijdens het stolproces, en bespreekt een mogelijk oplossen hiervoor door de soldeersellaag aan te brengen in een aantal eilanden om zo het tilten te vermijden. Een soortgelijk proces wordt beschreven in US 2016/029485. JP 2012/222128 betreft ten slotte een document dat de problematiek rond het 'zwemmen' bespreekt, en dit oplost door een enkel soldeerseleiland te voorzien met aangepaste hoeken om de hoeken van een component beter te fixeren. Ook document US 2009/051049 bespreekt dit onderwerp.

Er is nood aan een verbeterde werkwijze voor het aanbrengen van elektronische componenten op een substraat via soldeersel, specifiek aangepaste patronen die zwemmende en ongelijkmatig inzakkende componenten weet te vermijden.

De uitvinding beoogt hieraan te voldoen door een aangepast soldeerpatroon te voorzien dat beide problemen tegelijk aanpakt.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De uitvinding betreft in een eerste aspect een substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, voorzien van een voorafbepaald patroon van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van een elektronische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, op het substraat met soldeersel, waarbij de elektronische component een soldeervlak omvat voor het verbinden van de elektronische component met het substraat, waarbij het patroon substantieel gelijkvormig is met het soldeervlak, waarbij het patroon een pluraliteit van ruimtelijk gescheiden soldeerseleilanden omvat, met als kenmerk dat de soldeerseleilanden zich op een afstand van naburige soldeerseleilanden bevinden waarbij de soldeerseleilanden onderling gescheiden substantieel volledig smelten bij verhitting tot een voorafbepaalde temperatuur boven het smeltpunt van het soldeersel en vervolgens samenvloeien tot een enkelvoudige soldeerverbinding.

Alternatief betreft de uitvinding een substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, voorzien van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van een elektronische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, op het substraat met soldeersel, waarbij de vermogenscomponent twee of meerdere afzonderlijke soldeervlakken omvat voor het afzonderlijk verbinden van de elektronische component met het substraat, waarbij het soldeersel voorzien is in meerdere, ruimtelijke gescheiden, voorafbepaalde patronen van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van de elektronische component, waarbij de patronen substantieel gelijkvormig zijn met de soldeervlakken, waarbij de patronen een pluraliteit van soldeerseleilanden omvatten, met als kenmerk dat de soldeerseleilanden zich op een afstand van naburige soldeerseleilanden bevinden waarbij de soldeerseleilanden van het patroon onderling gescheiden substantieel volledig smelten bij verhitting tot een voorafbepaalde temperatuur boven het smeltpunt van het soldeersel en vervolgens samenvloeien tot een enkelvoudige soldeerverbinding. Merk hierbij op dat deze alternatieve versie, zoals gezegd, een oplossing kan bieden voor componenten met meerdere soldeervlakken. Hoewel dergelijke componenten een minderheid vormen in de praktijk, kan de uitvinding desalniettemin ook hierbij toegepast worden, en dienen alle verdere uitbreidingen beschouwd te worden als zowel toepasbaar op componenten met één soldeervlak als componenten met meerdere soldeervlakken.

In een tweede aspect betreft de uitvinding een werkwijze voor het verbeterd aanbrengen van een elektrische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, waarbij de elektronische component een soldeervlak omvat, op een substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, met soldeersel, omvattende volgende stappen: a. het voorzien van het substraat met een koperlaag, waarbij de koperlaag geschikt is voor het operationeel ontvangen van de elektrische component; b. het aanbrengen van het soldeersel in een voorafbepaald patroon op de koperlaag, bij voorkeur waarbij het soldeersel in het voorafbepaald patroon aangebracht wordt via een stencil; waarbij het soldeersel in het voorafbepaald patroon een pluraliteit van soldeerseleilanden omvat; c. het plaatsen van de elektrische component op het soldeersel in het voorafbepaald patroon, waarbij het soldeervlak gealigneerd is met het voorafbepaald patroon; d. het verwarmen van het substraat met de elektrische component tot een voorafbepaalde temperatuur, waarbij de voorafbepaalde temperatuur hoger is dan een smeltpunt van het soldeersel; waarbij elk van de soldeerseleilanden tijdens of na het verwarmen van het substraat minstens gedeeltelijk afzonderlijk smelt, en waarbij de soldeerseleilanden tijdens of na het minstens gedeeltelijk afzonderlijk smelten van de soldeerseleilanden, samenvloeien en een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component, bij voorkeur waarbij elk van de soldeerseleilanden afzonderlijk volledig smelt en waarbij de soldeerseleilanden na het afzonderlijk volledig smelten samenvloeien en een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component.

In een derde aspect betreft de uitvinding een substraat met één of meerdere elektronische componenten waarbij minstens één van de elektronische componenten aangebracht is op het substraat volgens één van de werkwijzen beschreven in dit document.

BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Figuur 1A-B toont een bovenaanzicht (loodrecht op het substraat) van mogelijke soldeerselpatronen volgens de uitvinding voor verschillende formaten van elektronische componenten (stippellijn) die daarop aangebracht kunnen worden.

Figuur 2A-B-C toont een verloop van het smeltproces bij een uitvoeringsvorm van het soldeerselpatroon volgens de uitvinding vanuit een bovenaanzicht gezien, waarbij de donkere zones gesmolten soldeersel weergeven en de lichte (nog) vast soldeersel.

Figuur 3A-B toont schematisch de twee opgemerkte problematieken bij soldeerselpatronen uit de stand der techniek, namelijk tilting (3A) en zwemmen (3B).

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING

Tenzij anders gedefinieerd hebben alle termen die gebruikt worden in de beschrijving van de uitvinding, ook technisch en wetenschappelijke termen, de betekenis zoals ze algemeen begrepen worden door de vakman in het technisch veld van de uitvinding. Voor een betere beoordeling van de beschrijving van de uitvinding, worden de volgende termen expliciet uitgelegd. "Een", "de" en "het" refereren in dit document naar zowel het enkelvoud als het meervoud tenzij de context duidelijk anders veronderstelt. Bijvoorbeeld, "een segment" betekent een of meer dan een segment.

Wanneer "ongeveer" of "rond" in dit document gebruikt wordt bij een meetbare grootheid, een parameter, een tijdsduur of moment, en dergelijke, dan worden variaties bedoeld van +/-20% of minder, bij voorkeur +/-10% of minder, meer bij voorkeur +/-5% of minder, nog meer bij voorkeur +/-1% of minder, en zelfs nog meer bij voorkeur +/-0.1% of minder dan en van de geciteerde waarde, voor zoverre zulke variaties van toepassing zijn in de beschreven uitvinding. Hier moet echter wel onderverstaan worden dat de waarde van de grootheid waarbij de term "ongeveer" of "rond" gebruikt wordt, zelf specifiek wordt bekendgemaakt.

De termen "omvatten", "omvattende", "bestaan uit", "bestaande uit", "voorzien van", "bevatten", "bevattende", "behelzen", "behelzende", "inhouden", "inhoudende" zijn synoniemen en zijn inclusieve of open termen die de aanwezigheid van wat volgt aanduiden, en die de aanwezigheid niet uitsluiten of beletten van andere componenten, kenmerken, elementen, leden, stappen, gekend uit of beschreven in de stand der techniek.

Het citeren van numerieke intervallen door de eindpunten omvat alle gehele getallen, breuken en/of reële getallen tussen de eindpunten, deze eindpunten inbegrepen.

Hierbij dient opgemerkt te worden dat het soldeerselpatroon, en de 'soldeerseleilanden' hiervan typisch tweedimensionaal zullen besproken worden, vanuit een bovenaanzicht (substantieel loodrecht op het vlak van het substraat waarop deze zijn aangebracht), dit gezien het soldeersel typisch met een stencil wordt aangebracht en er van uit gegaan dient te worden dat het soldeersel een substantieel gelijkmatige verdeling qua dikte (hoogte ten opzichte van het substraat) heeft. Opmerkingen over een rechthoekig patroon, of veelhoekig of andere, dienen dus geïnterpreteerd te worden als zijnde hebbende een rechthoekig, veelhoekig of andere, bovenaanzicht of loodrechte projectie op het substraat, dus waarbij het soldeersel wel degelijk een dikte heeft.

De termen "rechthoek", "veelhoek", "driehoek" en aanverwanten worden hier met enige vrijheid gebruikt, te interpreteren als 'hebbende de algemene vorm van een rechthoek, ...' zonder noodzakelijkerwijze effectief over specifieke hoek(punt)en te beschikken. Veelal zullen deze hoeken afgerond zijn aangezien dit in de praktijk eenvoudiger is om uit te voeren. Desalniettemin wordt het algemene uitzicht van de veelhoeken behouden, en als dusdanig dienen de geometrie van elementen voornamelijk op vorm beoordeeld te worden, tenzij expliciet anders aangegeven.

De uitvinding betreft een verbeterd soldeerselpatroon voor het vasthechten van een elektronische component aan een substraat. Op deze wijze voorziet de uitvinding in een substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, voorzien van een voorafbepaald patroon van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van een elektronische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, op het substraat met soldeersel, waarbij de elektronische component een soldeervlak omvat voor het verbinden van de elektronische component met het substraat, waarbij het patroon substantieel gelijkvormig is met het soldeervlak, waarbij het patroon een pluraliteit van ruimtelijk gescheiden soldeerseleilanden omvat, met als kenmerk dat de soldeerseleilanden zich op een afstand van naburige soldeerseleilanden bevinden waarbij de soldeerseleilanden onderling gescheiden substantieel volledig smelten bij verhitting tot een voorafbepaalde temperatuur boven het smeltpunt van het soldeersel en vervolgens samenvloeien tot een enkelvoudige soldeerverbinding.

Alternatief voorziet de uitvinding in een substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, voorzien van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van een elektronische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, op het substraat met soldeersel, waarbij de vermogenscomponent twee of meerdere afzonderlijke soldeervlakken omvat voor het afzonderlijk verbinden van de elektronische component met het substraat, waarbij het soldeersel voorzien is in meerdere, ruimtelijke gescheiden, voorafbepaalde patronen van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van de elektronische component, waarbij de patronen substantieel gelijkvormig zijn met de soldeervlakken, waarbij de patronen een pluraliteit van soldeerseleilanden omvatten, met als kenmerk dat de soldeerseleilanden zich op een afstand van naburige soldeerseleilanden bevinden waarbij de soldeerseleilanden van het patroon onderling gescheiden substantieel volledig smelten bij verhitting tot een voorafbepaalde temperatuur boven het smeltpunt van het soldeersel en vervolgens samenvloeien tot een enkelvoudige soldeerverbinding.

Deze twee vormen van het eerste aspect verschillen onderling doordat in de alternatieve versie, de elektronische component meerdere soldeervlakken omvat, waarbij het aangepaste patroon bij de meerdere soldeervlakken voorzien wordt. Daarnaast is het echter ook mogelijk om niet alle soldeervlakken van een aangepast patroon te voorzien. De soldeervlakken die wel van aangepast soldeerpatroon voorzien zijn, kunnen dan zorgen voor de stabilisatie van de elektronische component. De eerdere opmerking omtrent de toepasbaarheid van alle hierop volgende uitvoeringsvormen op zowel de uitvoering met componenten met één soldeervlak, als de uitvoering met componenten met twee of meerdere soldeervlakken, is nog steeds van toepassing.

Doordat er met verschillende soldeerseleilanden wordt gewerkt, die kleiner van volume zijn, is de kans ook veel kleiner dat er lokaal ongelijkmatigheden ervoor zorgen dat het soldeersel aan één zijde veel vroeger smelt dan de rest van het soldeersel. In de gekende werkwijzen leidde dit tot het verzakken van de elektronische componenten aan de sneller gesmolten zijde. Als één van de soldeerseleilanden toch merkelijk vroeger smelt dan andere, zullen andere soldeerseleilanden de component toch nog schragen tot deze ook smelten, waardoor een veel gelijkmatigere verzakking van de component bereikt wordt dan in het verleden.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is de afstand tussen de soldeerseleilanden en de naburige soldeerseleilanden omvat tussen ongeveer 100 pm en ongeveer 800 pm. Mogelijke boven- en of ondergrenzen hierbij zijn 125 pm, 150 pm, 175 pm, 200 pm, 225 pm, 250 pm, 275 pm, 300 pm, 325 pm, 350 pm, 375 pm, 400 pm, 425 pm, 450 pm, 475 pm, 500 pm, 525 pm, 550 pm, 575 pm, 600 pm, 625 pm, 650 pm, 675 pm, 700 pm, 725 pm, 750 pm, 775 pm of tussenliggende waarden. Hierbij dient enerzijds rekening gehouden te worden met het substraat, de dikte van de (uiteindelijke en oorspronkelijke) soldeersellaag, het type component (massa en/of oppervlakte hiervan), en het type soldeersel (metaal, flux, soldeerballen). De precieze afstand kan aan de hand van de specificaties van de situatie in kwestie vastgelegd worden om te verzekeren dat de afzonderlijke soldeerseleilanden afzonderlijk smelten bij verhitting en pas na het smelten samenvloeien tot een enkele soldeerselverbinding tussen het substraat (of de elektrisch geleidende laag daarop) en de elektronische component.

Volgens een voorkeurdragende uitvoeringsvorm bestaan de soldeerseleilanden uit een aantal hoekeilanden in hoeken van het patroon, optioneel een aantal randeilanden tussen opeenvolgende hoekeilanden, en optioneel één of meerdere centrale eilanden omringd door de hoekeilanden en/of randeilanden, waarbij de hoekeilanden aangepast zijn voor het tijdens en na het smelten van het soldeersel vasthouden en een rotatie in het vlak van het substraat beperken van een op het patroon aangebrachte elektrische component.

De vorm van de soldeerseleilanden, en dan vooral de specifieke vorm bij de hoekeilanden (soldeervlak is typisch veelhoekig, in de praktijk rechthoekig) zorgt voor een sterke reductie van het 'zwemmen' bij de elektronische componenten door de hoeken van de elektronische componenten aan te grijpen. De hoekeilanden zijn zodanig gevormd dat deze eerder naar de extremale zijde toe smelten (extremaal ten opzichte van het centrum van het patroon van de soldeerseleilanden), en als zodanig eerst de hoeken van de elektronische componenten eerst aangrijpen. De verschillende oppervlaktespanning van het gesmolten soldeersel van de hoekeilanden zorgt ervoor dat de hoeken van de aangebrachte elektronische component op hun plaats gehouden worden, dit in tegenstelling tot typische patronen van de prior art, waarbij een het soldeersel lokaal smelt en daarbij gesmolten ballen vormt waarop de elektronische component kan bewegen en vooral roteren ten opzichte van de gewenste positie.

Doordat de elektronische component op zijn plaats gehouden worden (substantieel), zal de rest van het soldeersel verder smelten tot deze substantieel volledig gesmolten zijn, waarna de gesmolten soldeerseleilanden naar elkaar toe vloeien en zo het volledige oppervlak onder de elektronische component van een gelijkmatige laag gesmolten soldeersel voorzien, en een enkele verbinding creëren tussen de elektronische component en het substraat.

Volgens een voorkeurdragende uitvoeringsvorm hebben de hoekeilanden een ten opzichte van het patroon extremaal uitstulpend gedeelte, bij voorkeur waarbij het uitstulpend gedeelte minstens gedeeltelijk uitstulpt ten opzichte van een op het patroon aangebrachte elektrische component.

Dit borduurt verder op de eerder genoemde specificatie dat de hoekeilanden een aangepaste vorm hebben. De aanvrager merkt dat een uitstulping, specifiek naar extremale (ten opzichte van de rest van het patroon) einden (hoeken) van de hoekeilanden toe (zie ook de figuren), bijdraagt tot een verbeterd aangrijpen op de elektronische component door de gesmolten of smeltende hoekeilanden, en zo het vermijden van draaiing van een opliggende component. Opnieuw zullen de hoekeilanden eerst smelten naar de extremale hoeken toe, en aan de uitstulpingen in het bijzonder, op die manier aangrijpende op de component, en beweging verhinderend of beperkend.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm omvat het substraat een elektronische vermogenscomponent waarbij deze elektronische vermogenscomponent aangebracht is door het onderling gescheiden substantieel volledig smelten van de soldeerseleilanden in een vacuüm terugvloeiingsoven (een zogenaamde vacuum reflow oven zoals gekend in de stand der techniek).

Doordat de soldeerseleilanden substantieel volledig smelten gescheiden van elkaar, en slechts daarna samenvloeien wordt gegarandeerd dat de elektronische component niet verzakt langs één zijde, of draait op het soldeersel. Indien één van de soldeerseleilanden voor de andere smelt, zal dit de andere soldeerseleilanden niet of weinig aantasten, en zal de component nog steeds voldoende ondersteund worden. Dit is vaak een probleem bij gekende soldeerpatronen, waar het soldeersel lokaal smelt en deze gesmolten zone zich uitbreidt, terwijl in andere regio's van het soldeersel nog geen smelten voorkomt. Door het afzonderlijke smelten van de soldeerseleilanden wordt dit probleem voorkomen, en zal een gelijkmatige laag soldeersel voorzien worden onder de elektronische component eenmaal al het soldeersel gesmolten is en het gesmolten soldeersel samenvloeit onder druk van de opliggende elektronische component.

In een verdere uitvoeringsvorm is het patroon aangepast voor het reduceren en/of vermijden van ongelijkmatig inzakken van de elektronische component in het gesmolten soldeersel en/of het roteren van de elektronische component rond een as substantieel loodrecht op het soldeervlak van de elektronische component bij het aanbrengen van de elektronische component.

In een verdere uitvoeringsvorm zijn soldeerseleilanden in een substantieel rechthoekige roostervorm geplaatst op het substraat, waarbij de soldeerseleilanden in hoeken van de roostervorm aangepaste hoekeilanden zijn, waarbij de hoekeilanden een uitstulpend gedeelte omvatten, en waarbij het uitstulpend gedeelte zich vanuit een ten opzichte van het centrum van het patroon meest extremale zone van het hoekeiland uitstrekt weg van het centrum van het patroon.

Door de uitstulpende gedeelten slechts te laten voorkomen op een zone die zich aan de uithoeken van de hoekeilanden bevindt (zie ook figuren), wordt het eerder vernoemde effect bewerkstelligd waarbij de hoekeilanden eerst naarde uitstulpingen toe beginnen te smelten en op deze manier de hoeken van de elektronische component aangrijpen. In deze uitvoeringsvorm is sprake van een substantieel rechthoekige roostervorm voor het soldeerselpatroon, aangezien dit de meest voorkomende vorm is van de elektronische componenten (of toch van de soldeervlakken daarvan), en aldus dient de uiteindelijke soldeerselverbinding substantieel gelijkvormig daarmee te zijn. Natuurlijk kan het principe van de uitvinding in dit document uitgebreid worden naar andere vormen van soldeervlakken wat tot andere patronen van het soldeersel zal leiden (driehoekig, cirkelvormig - met bijvoorbeeld uitstulpingen intermittent, al of niet regelmatig, langsheen de rand van het cirkelvormig soldeerselpatroon, ...). Bij een typisch veelhoekige vorm van het soldeervlak, en dus van het patroon, zal elk hoekeiland twee zijden en een hoek (opnieuw vanuit tweedimensionale optiek) hebben die vrij liggen ten opzichte van de andere soldeerseleilanden. Deze twee vrijliggende zijden zijn in een verdere voorkeursuitvoeringsvorm aldus voorzien van een uitstulping over een deel van de vrijliggende zijden, namelijk een deel gelegen aan de vrijliggende hoek. Bij voorkeur sluiten de uitstulpende gedeelten van de twee vrijliggende zijden aan op elkaar en strekken deze zich verder uit langsheen de vrijliggende zijden, voorbij de tussenliggende vrijliggende hoek. Bij voorkeur strekken de uitstulpingen zich ook uit waar de verlengingen van de uitstulpingen aan de vrijliggende zijden elkaar zouden overlappen (opnieuw zichtbaar in de figuren). Optioneel kan deze overlappende zone deels afgerond of onvolledig verlengd zijn.

In een uitvoeringsvorm omvat een hoekeiland een eerste substantieel (afgerond) rechthoekig (tweedimensionale optiek) gedeelte gelijkaardig aan de andere soldeerseleilanden qua vorm en afmetingen. Daarnaast omvat het hoekeiland een uitbreiding op het eerste substantieel rechthoekig gedeelte door superpositie van een tweede substantieel (afgerond) rechthoekig gedeelte op het eerste rechthoekig gedeelte, waarbij het tweede rechthoekig gedeelte substantieel gelijkvormig is met het eerste rechthoekig gedeelte (eventueel herschaald - groter of kleiner), en een translatie heeft ondergaan ten opzichte van het eerste rechthoekig gedeelte zodanig dat het middelpunt van het tweede rechthoekig gedeelte gelegen is tussen het middelpunt van het eerste rechthoekig gedeelte en de virtuele vrijliggende hoek (meest extremale punt ten opzichte van het patroon van soldeersel) van het eerste rechthoekige gedeelte, waarbij de overlappende zone van de twee rechthoekige gedeelten logischerwijze een gelijke dikte aan soldeersel omvat (dus geen dubbele laag hier). Deze configuratie is ook goed te zien in de figuren. Merk op dat andere factoren van verkleining en/of mate van translatie op het tweede rechthoekig gedeelte kunnen gebruikt worden naargelang de situatie.

In een alternatieve uitvoeringsvorm kan ook voor anders gevormde elektronische componenten een oplossing voorde besproken problematieken voorzien worden. Hierbij is het belangrijk dat voldoende soldeerseleilanden voorzien worden die bij het smelten elk afzonderlijk de aan te brengen elektronische component aan de randen aangrijpen om zo rotatie te vermijden. De tilting wordt hoofdzakelijk vermeden hierbij door het werken met afzonderlijke eilanden van soldeersel die zorgen voor een meer uniform smelten van het soldeersel en daaropvolgend inzakken van de component in het gesmolten soldeersel. Deze eilanden kunnen (vanuit een tweedimensionale optiek van bovenuit gezien) verschillende vormen aannemen, zoals rond, driehoekig, vierhoekig, veelhoekig en andere, of combinatie van meerdere vormen.

In een tweede aspect betreft de uitvinding een werkwijze voor het verbeterd aanbrengen van een elektrische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, waarbij de elektronische component een soldeervlak omvat, op een substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, met soldeersel, omvattende volgende stappen: a. het voorzien van het substraat met een koperlaag, waarbij de koperlaag geschikt is voor het operationeel ontvangen van de elektrische component; b. het aanbrengen van het soldeersel in een voorafbepaald patroon op de koperlaag, bij voorkeur waarbij het soldeersel in het voorafbepaald patroon aangebracht wordt via een stencil; waarbij het soldeersel in het voorafbepaald patroon een pluraliteit van soldeerseleilanden omvat; c. het plaatsen van de elektrische component op het soldeersel in het voorafbepaald patroon, waarbij het soldeervlak gealigneerd is met het voorafbepaald patroon; d. het verwarmen van het substraat met de elektrische component tot een voorafbepaalde temperatuur, waarbij de voorafbepaalde temperatuur hoger is dan een smeltpunt van het soldeersel; waarbij elk van de soldeerseleilanden tijdens of na het verwarmen van het substraat minstens gedeeltelijk afzonderlijk smelt, en waarbij de soldeerseleilanden tijdens of na het minstens gedeeltelijk afzonderlijk smelten van de soldeerseleilanden, samenvloeien en een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component, bij voorkeur waarbij elk van de soldeerseleilanden afzonderlijk volledig smelt en waarbij de soldeerseleilanden na het afzonderlijk volledig smelten samenvloeien en een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component.

In een alternatieve uitvoeringsvorm omvat de elektronische component twee of meer soldeervlakken, waarbij het soldeersel aangebracht wordt in twee of meer ruimtelijk gescheiden, vooraf bepaalde patronen, waarbij het soldeersel in elk van de voorafbepaalde patronen een pluraliteit van soldeerseleilanden omvat, waarbij tijdens het plaatsen van de elektronische component de soldeervlakken gealigneerd zijn met de voorafbepaalde patronen, en waarbij elk van de soldeerseleilanden van de soldeervlakken afzonderlijk volledig smelten, en waarbij de soldeerseleilanden per patroon na het afzonderlijk volledig smelten samenvloeien en de patronen elk een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component. Merk op dat dezelfde opmerking als eerder gegeven voor de alternatieve uitvoeringsvorm van het substraat zelf van toepassing is, en dat alle uitvoeringsvormen van de werkwijze in dit document toepasbaar zijn bij componenten met één soldeervlak, als bij componenten met twee of meerdere soldeervlakken.

De voordelen van het aangepaste patroon waarin het soldeersel aangebracht wordt, is reeds eerder besproken in dit document, en zijn vanzelfsprekend ook van toepassing voor de werkwijze hierboven beschreven.

Na het plaatsen van de elektronische component op het aangebrachte soldeersel, wordt het substraat typisch in een oven geplaatst die het soldeersel verhit tot smelttemperatuur. In deze fase werden de door de aanvrager vernoemde problemen (rotatie en tilten) opgemerkt die voor onbruikbare schakelingen zorgen (zeker bij hoogvermogensschakelingen met nood aan goede warmteoverdracht tussen component en substraat). Door de specifieke vorm van het patroon waarin het soldeersel is aangebracht, slaagde de aanvrager erin deze problemen te reduceren, of zelfs te neutraliseren, wat zowel economisch voordeliger is, alsook veiliger aangezien een hogere kwaliteit van de soldeerselverbindingen gegarandeerd wordt en later falen van de schakelingen zo gereduceerd wordt.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is het voorafbepaalde patroon substantieel veelhoekig, en de soldeerseleilanden bestaan uit meerdere hoekeilanden in hoeken van het substantieel veelhoekig patroon, optioneel meerdere randeilanden langsheen zijden van het substantieel veelhoekig patroon, en optioneel één of meerdere centrale eilanden binnen het substantieel veelhoekig patroon, met als kenmerk dat de hoekeilanden aangebracht worden waarbij de hoekeilanden ten opzichte van een middelpunt van het substantieel veelhoekig patroon extremaal uitstulpend zijn.

De eerder besproken configuraties, en bijhorende voordelen zijn ook hier van toepassing. Om rotatie, of 'zwemmen' van de elektronische componenten te vermijden bij het smelten van het soldeersel, is het van groot belang om de hoeken van de elektronische component aan te grijpen. Dit wordt gerealiseerd door de specifieke vorm van de hoekeilanden, te zien in de figuren en besproken in de tekst, die eerst smelten naar de uitstulpingen toe, en daarbij de hoeken van de elektronische component aangrijpen en zo substantieel op plaats houden door de veranderde oppervlaktespanning van het gesmolten soldeersel.

In een verdere uitvoeringsvorm is een omgeschreven veelhoek van het substantieel veelhoekig patroon substantieel gelijkvormig met het soldeervlak van de elektronische component, en met als kenmerk dat bij het plaatsen van de elektrische component de extremaal uitstulpende gedeelten van de hoekeilanden niet volledig bedekt worden door de geplaatste elektrische component.

Door de uitstulpingen tot voorbij een loodrechte projectie van de elektronische component op het substraat te laten uitstrekken, wordt verzekerd dat deze afdoende de hoeken van de elektronische component aangrijpen wanneer de hoekeilanden smelten, en dan in het bijzonder de uitstulpingen van de hoekeilanden smelten. Afhankelijk van de schaal en massa van de component en andere fysische parameters (dikte van de laag soldeersel van de eilanden, soort soldeersel en andere), steken de uitstulpingen verder of minder ver uit, of zelfs helemaal niet. De aanvrager merkte dat bij kleinere/lichtere componenten de uitstulpingen prominenter moesten zijn (zeker ten opzichte van de soldeerseleilanden zelf) dan bij grotere/zwaardere componenten, waarbij bij zeergrote componenten de uitstulpingen overbodig konden zijn, aangezien het gesmolten soldeersel natuurlijker uitvloeide tot voorbij de randen van de component om deze aan te grijpen.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is het voorafbepaalde patroon substantieel rechthoekig, en de soldeerseleilanden bestaan uit vier hoekeilanden in hoeken van het substantieel rechthoekig patroon, optioneel meerdere substantieel balkvormige randeilanden langsheen zijden van het substantieel rechthoekig patroon, en optioneel één of meerdere substantieel balkvormige centrale eilanden binnen het substantieel rechthoekig patroon, waarbij de hoekeilanden elk aangebracht worden substantieel in de vorm van een eerste balk en een tweede balk, waarbij de eerste en de tweede balk onderling evenwijdige zijdenparen hebben, waarbij de eerste en de tweede balk gedeeltelijk overlappen, en waarbij de eerste en de tweede balk geen samenvallende zijden hebben, en waarbij de tweede balk extremaal uitsteekt van de eerste balk ten opzichte van een middelpunt van het substantieel rechthoekig patroon, bij voorkeur waarbij de optionele randeilanden en centrale eilanden een substantieel vierkante projectie op het substraat hebben, en waarbij de eerste en de tweede balk een substantieel vierkante projectie op het substraat hebben, bij verdere voorkeur waarbij de vierkante projectie van de tweede balk een kortere zijde heeft dan de vierkante projectie van de eerste balk en waarbij de ten opzichte van het patroon meest extremale ribbe van de eerste en de tweede balk en het ten opzichte van het patroon meest centraal liggende punt van de eerste en de tweede vierkante balk substantieel coplanair liggen. In de uitvoeringsvorm hierboven beschreven is niet in de tweedimensionale optiek gekeken naar de soldeerseleilanden en dergelijke. Wel moet nog steeds uitgegaan worden dat alle vormen benaderend zijn, en dat geenszins aan strakke, meetkundige vereisten dient voldaan te worden (dus afgeronde hoeken, vlakovergangen en dergelijke zullen in de praktijk zelfs meestal voorkomen).

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm worden de soldeerseleilanden aangebracht met een kortste afstand tot een naburig soldeerseleiland omvat tussen ongeveer 100 pm en ongeveer 800 pm. Mogelijke boven- en of ondergrenzen hierbij zijn 125 pm, 150 pm, 175 pm, 200 pm, 225 pm, 250 pm, 275 pm, 300 pm, 325 pm, 350 pm, 375 pm, 400 pm, 425 pm, 450 pm, 475 pm, 500 pm, 525 pm, 550 pm, 575 pm, 600 pm, 625 pm, 650 pm, 675 pm, 700 pm, 725 pm, 750 pm, 775 pm of tussenliggende waarden.

Hierbij dient enerzijds rekening gehouden te worden met het substraat, de dikte van de (uiteindelijke en oorspronkelijke) soldeersellaag, het type component (massa en/of oppervlakte hiervan), en het type soldeersel (metaal, flux, soldeerballen). De precieze afstand kan aan de hand van de specificaties van de situatie in kwestie vastgelegd worden om te verzekeren dat de afzonderlijke soldeerseleilanden afzonderlijk smelten bij verhitting en pas na het smelten samenvloeien tot een enkele soldeerselverbinding tussen het substraat (of de elektrisch geleidende laag daarop) en de elektronische component. De voordelen hiervan zijn eveneens reeds eerder besproken in dit document en gelden vanzelfsprekend ook voor de beschreven werkwijze.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvatten de soldeerseleilanden een gemiddeld volume aan soldeersel tussen ongeveer 0.4 mm3 en 1.5 mm3. Het gemiddelde volume van de soldeerseleilanden kan ook nog afzonderlijk vastgelegd worden voor hoekeilanden ten opzichte van de andere soldeerseleilanden. Zo zijn de hoekeilanden bij voorkeur volumineuzer dan de andere soldeerseleilanden. Mogelijke boven- en/of ondergrenzen voor het gemiddeld volume aan soldeersel voor de soldeerseleilanden zijn 0.425 mm3, 0.45 mm3, 0.475 mm3, 0.50 mm3, 0.525 mm3, 0.55 mm3, 0.575 mm3, 0.6 mm3, 0.625 mm3, 0.65 mm3, 0.675 mm3, 0.7 mm3, 0.725 mm3, 0.75 mm3, 0.775 mm3, 0.8 mm3, 0.825 mm3, 0.85 mm3, 0.875 mm3, 0.9 mm3, 0.925 mm3, 0.95 mm3, 0.975 mm3, 1.0 mm3, 1.025 mm3, 1.05 mm3, 1.075 mm3, 1.1 mm3, 1.125 mm3, 1.15 mm3, 1.175mm3, 1.2 mm3, 1.225 mm3, 1.25 mm3, 1.275 mm3, 1.3 mm3, 1.325 mm3, 1.35 mm3, 1.375 mm3, of tussenliggende waarden. Afwijkingen hierop zijn natuurlijk mogelijk voor bepaalde situaties (bij extra grote componenten, zeer grote of dikke soldeerselverbindingen tussen substraat en component gewenst, ...). De dikte van de soldeerseleilanden (hoogte ten opzichte van substraatlaag waar het op bevestigd is) is typisch omvat tussen 100 pm en 400 pm, met voorbeelden van onder- en bovengrenzen zoals 150 pm, 200 pm, 250 pm, 300 pm, 350 pm, en tussenliggende waarden. Afwijkende waarden zijn natuurlijk ook mogelijk afhankelijk van de toepassing.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvatten de soldeerseleilanden een gemiddelde oppervlakte op het substraat omvat tussen ongeveer 1 mm2 en 9 mm2, bij voorkeur tussen ongeveer 1.5 mm2 en 7 mm2, bij verdere voorkeur tussen ongeveer 2 mm2 en 6 mm2. Hierbij kunnen weliswaar afwijkingen optreden bij hoekeilanden die een grotere oppervlakte kunnen hebben dan andere soldeerseleilanden. Mogelijke boven- en/of ondergrenzen voor de gemiddelde oppervlakte van de soldeerseleilanden op het substraat zijn: 1.1 mm2, 1.2 mm2, 1.3 mm2, 1.4 mm2, 1.5 mm2, 1.6 mm2, 1.7 mm2, 1.8 mm2, 1.9 mm2, 2.0 mm2, 2.1 mm2, 2.15 mm2, 2.2 mm2, 2.25 mm2, 2.3 mm2, 2.35 mm2, 2.4 mm2, 2.45 mm2, 2.5 mm2, 2.55 mm2, 2.6 mm2, 2.65 mm2, 2.7 mm2, 2.75 mm2, 2.8 mm2, 2.85 mm2, 2.9 mm2, 2.95 mm2, 3.0 mm2, 3.05 mm2, 3.1 mm2, 3.15 mm2, 3.2 mm2, 3.25 mm2, 3.3 mm2, 3.35 mm2, 3.4 mm2, 3.45 mm2, 3.5 mm2, 3.55 mm2, 3.6 mm2, 3.65 mm2, 3.7 mm2, 3.75 mm2, 3.8 mm2, 3.85 mm2, 3.9 mm2, 3.95 mm2, 4.0 mm2, 4.05 mm2, 4.1 mm2, 4.15 mm2, 4.2 mm2, 4.25 mm2, 4.3 mm2, 4.35 mm2, 4.4 mm2, 4.45 mm2, 4.5 mm2, 4.55 mm2, 4.6 mm2, 4.65 mm2, 4.7 mm2, 4.75 mm2, 4.8 mm2, 4.95 mm2, 5.0 mm2, 5.05 mm2, 5.1 mm2, 5.15 mm2, 5.2 mm2, 5.25 mm2, 5.3 mm2, 5.35 mm2, 5.4 mm2, 5.45 mm2, 5.5 mm2, 5.55mm2, 5.6 mm2, 5.65 mm2, 5.7 mm2, 5.75 mm2, 5.8 mm2, 5.85 mm2, 5.9 mm2, 5.95 mm2, 6.0 mm2, 6.1 mm2, 6.2 mm2, 6.3 mm2, 6.4 mm2, 6.5 mm2, 6.75 mm2, 7.0 mm2, 7.25 mm2, 7.5 mm2, 7.75 mm2, 8.0 mm2, 8.25 mm2, 8.5 mm2, 8.75 mm2, of tussenliggende waarden (evenals eventuele hogere en/of lagere waarden bij extra grote of kleine componenten).

Merk op dat er bovendien een sterke correlatie zal plaatsvinden tussen de oppervlakte van de soldeerseleilanden en de 'dikte' van de soldeerseleilanden (of het volume ervan) om een optimale uitvloeiingsfase te verkrijgen.

Het precieze volume van de soldeerseleilanden zal in de praktijk afhangen van een aantal factoren, waaronder typisch massa en/of oppervlakte van de elektronische component, gezien deze voldoende moet ondersteund worden door het soldeersel zonder te veel daarin te verzakken. Andere factoren kunnen zijn het type soldeersel (met bijhorende parameters), het type substraat (en parameters zoals dikte), het type oven en de parameters waaronder deze opereert, de gewenste dikte van de soldeerselverbinding tussen component en substraat, ....

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm wordt het verwarmen van het substraat met de elektrische component tot een voorafbepaalde temperatuur uitgevoerd door een vacuüm terugvloeiingsoven (vacuum reflow oven).

Dit type oven zorgt voor een vacuüm solderingsproces die de substraten opwarmt en op deze manier het soldeersel van de soldeerseleilanden laat smelten, door middel van contactwarmte. De substraten worden op een drager gelegd en gaan op de drager de vacuum reflow oven in, die de drager verwarmt door deze aan de onderzijde in contact te brengen met een verwarmend element. De drager geeft vervolgens de warmte door aan het substraat dat vrij gelijkmatig de warmte doorgeeft aan het soldeersel van onder uit, in tegenstelling tot andere reflow soldeerprocessen waarbij stralingswarmte gebruikt wordt. Het vacuüm proces zorgt ervoor dat gassen en dampen zoveel mogelijk uit het soldeersel verwijderd worden bij het smelten, om op die manier geen luchtbellen te krijgen hierin bij het verharden, aangezien dit de mogelijkheden tot warmtetransfer sterk verlaagt door optreden van zogenaamde 'hotspots' en bij onvoldoende warmteafvoer tot beschadiging kan leiden.

In een derde aspect betreft de uitvinding een substraat met één of meerdere elektronische componenten, waarbij minstens één van de elektronische componenten aangebracht is volgens één van de werkwijzen beschreven in dit document.

Een substraat, en dus schakelingen afkomstig van een dergelijk substraat, geproduceerd volgens één van de werkwijzen beschreven in dit document, kan statistisch gezien een hogere kwaliteit voorleggen dan deze volgens methoden uit de stand der techniek, door een verbeterde uniformiteit in de dikte van de soldeerselverbinding tussen het substraat en elektronische componenten op het substraat, doordat de elektronische componenten gelijkmatig in het soldeersel inzakken. Bovendien zijn de componenten ook correcter aangebracht (rotatie wordt vermeden).

In wat volgt, wordt de uitvinding beschreven a.d.h.v. niet-limiterende voorbeelden die de uitvinding illustreren, en die niet bedoeld zijn of geïnterpreteerd mogen worden om de omvang van de uitvinding te limiteren.

VOORBEELDEN VOORBEELD 1:

In een eerste voorbeeld volgens Figuur IA is een patroon (1) zichtbaar voor soldeersel op een substraat, bestaande uit een aantal soldeerseleilanden (2, 3), waarbij de hoekeilanden (3) een aangepaste vorm hebben. Op de Figuur IA is eveneens een projectie van het soldeervlak (4) van een virtuele elektronische component afgebeeld (of de gewenste locatie hiervoor), die de verhouding tussen het soldeerselpatroon (1) en de component weergeeft. In dit voorbeeld strekt het soldeervlak (4) zich enigszins uit tot voorbij de randen van niet-hoekeilanden (2), waarbij uitstulpingen (6) van de hoekeilanden (3) zich uitstrekken tot buiten de projectie van het soldeervlak (4). Zoals in het document aangegeven zorgt dit voor een verbeterd aangrijpen van de hoeken van de geplaatste elektronische component bij het smelten van het soldeersel, om zo rotatie van de component tegen te houden ofte reduceren. Door het uitvloeien van het soldeersel naar alle richtingen bij het smelten wordt ook verzekerd dat het volledig soldeervlak voorzien wordt van een soldeerselverbinding om zo een optimale warmtetransfer te verzekeren. De afstand (5) tussen de verschillende soldeerseleilanden (2, 3) is echter voldoende om te verzekeren dat deze substantieel volledig afzonderlijk smelten alvorens vervolgens samen te vloeien met de andere gesmolten soldeerseleilanden door de druk van een opliggende component, en zo de soldeerselverbinding tussen het substraat en de elektronische component te vormen. De mogelijke afstanden tussen de soldeerseleilanden zijn reeds eerder besproken in dit document en bovendien afhankelijk van enkele vernoemde parameters. VOORBEELD 2:

In een tweede voorbeeld volgens Figuur 1B is het patroon aangepast, en zijn er meer verschillende soldeerseleilanden. Een dergelijk patroon is geschikter voor grotere (qua oppervlakte van het soldeervlak) componenten. Opnieuw zijn afstanden afhankelijk van een aantal besproken parameters. Wel kan bij grotere componenten geopteerd worden voor hoekeilanden die niet of minder uitstulpen ten opzichte van de projectie van het soldeervlak van de component, gezien deze natuurlijker zullen uitvloeien tot buiten de projectie bij het smelten en zodoende de hoeken van de component voldoende aangrijpen. VOORBEELD 3:

In Figuren 2A-B-C is te zien hoe het smelten van het soldeersel verloopt, bij voorkeur via verhitting met een vacuum reflow oven, die zoals gezegd warmtetransfer via contact gebruikt om het soldeersel te doen smelten. In een eerste fase wordt het soldeersel (7) langs onderuit verwarmd (via een drager waarop het substraat ligt, waarbij de drager verwarmd wordt, zodoende het substraat verwarmt dat vervolgens de warmte aan het soldeersel doorgeeft). Dit leidt tot het beginnen smelten van het soldeersel, waarbij dit smelten typisch vrij centraal in de soldeerseleilanden begint (8a, 8b) zoals te zien in Figuur 2A (gezien de warmte daar niet langs de oppervlakte kan ontsnappen, en omdat, door onder meer de positionering van de component, het soldeersel hier een iets verlaagd smeltpunt heeft ten opzichte van aan de randen van het soldeersel). Bij de hoekeilanden van het soldeersel is dit 'startpunt' (8b) voor het smelten meer naar de buitenkant gelegen, wat ook zichtbaar is in Figuur 2A. Bij verdere toevoer van warmte zal het soldeersel (7) verder smelten, waarbij de hoekeilanden eerst smelten naar de vrijliggende hoeken toe door de specifieke vorm van de hoekeilanden. Dit effect zorgt ervoor dat het gesmolten soldeersel (8b) van de hoekeilanden, door de veranderde oppervlaktespanning van het gesmolten soldeersel, de hoeken van de opliggende component kan aangrijpen en op hun plaats houden, zo rotatie van de component vermijdend. Deze stap is duidelijk te zien in Figuur 2B. In een laatste fase, en na verdere toevoer van warmte, smelten de soldeerseleilanden volledig (Figuur 2C) en vloeien deze, deels ook door de druk van de opliggende component, naar elkaar toe tot één enkele soldeerselverbinding die de opliggende component verbindt met het substraat.

Het is verondersteld dat de huidige uitvinding niet beperkt is tot de uitvoeringsvormen die hierboven beschreven zijn en dat enkele aanpassingen of veranderingen aan de beschreven voorbeelden kunnen toegevoegd worden zonderde toegevoegde conclusies te herwaarderen. Bijvoorbeeld, de huidige uitvinding werd beschreven met verwijzing naar algemene vermogenscomponenten, maar het mag duidelijk zijn dat de uitvinding kan toegepast worden op bv. transistoren of microchips. Ook wordt standaard verwezen naar substantieel rechthoekige componenten (of toch met rechthoekige soldeervlakken), maar de toepassing kan ook uitgebreid worden naar onregelmatige soldeervlakken, cirkelvormige soldeervlakken en andere.

Claims (16)

1. CONCLUSIES

   1. Substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, voorzien van een voorafbepaald patroon van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van een elektronische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, op het substraat met soldeersel, waarbij de elektronische component een soldeervlak omvat voor het verbinden van de elektronische component met het substraat, waarbij het patroon substantieel gelijkvormig is met het soldeervlak, waarbij het patroon een pluraliteit van ruimtelijk gescheiden soldeerseleilanden omvat, met als kenmerk dat de soldeerseleilanden zich op een afstand van naburige soldeerseleilanden bevinden waarbij de soldeerseleilanden onderling gescheiden substantieel volledig smelten bij verhitting tot een voorafbepaalde temperatuur boven het smeltpunt van het soldeersel en vervolgens samenvloeien tot een enkelvoudige soldeerverbinding, waarbij de soldeerseleilanden bestaan uit een aantal hoekeilanden in hoeken van het patroon, optioneel een aantal randeilanden tussen opeenvolgende hoekeilanden, en optioneel één of meerdere centrale eilanden omringd door de hoekeilanden en/of randeilanden, en waarbij de hoekeilanden aangepast zijn voor het tijdens en na het smelten van het soldeersel vasthouden en een rotatie in het vlak van het substraat beperken van een op het patroon aangebrachte elektrische component, waarbij de hoekeilanden een ten opzichte van het patroon extremaal uitstulpend gedeelte hebben, bij voorkeur waarbij het uitstulpend gedeelte minstens gedeeltelijk uitstulpt ten opzichte van een op het patroon aangebrachte elektrische component.
2. 2. Substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, voorzien van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van een elektronische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, op het substraat met soldeersel, waarbij de vermogenscomponent twee of meerdere afzonderlijke soldeervlakken omvat voor het afzonderlijk verbinden van de elektronische component met het substraat, waarbij het soldeersel voorzien is in meerdere, ruimtelijke gescheiden, voorafbepaalde patronen van soldeersel voor het verbeterd aanbrengen van de elektronische component, waarbij de patronen substantieel gelijkvormig zijn met de soldeervlakken, waarbij de patronen een pluraliteit van soldeerseleilanden omvatten, met als kenmerk dat de soldeerseleilanden zich op een afstand van naburige soldeerseleilanden bevinden waarbij de soldeerseleilanden van het patroon onderling gescheiden substantieel volledig smelten bij verhitting tot een voorafbepaalde temperatuur boven het smeltpunt van het soldeersel en vervolgens samenvloeien tot een enkelvoudige soldeerverbinding.
3. 3. Substraat volgens één van de voorgaande conclusies 1 of 2, waarbij de afstand tussen de soldeerseleilanden omvat is tussen ongeveer 100 pm en ongeveer 800 pm.
4. 4. Substraat volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 3, omvattende een elektrische vermogenscomponent waarbij de elektrische vermogenscomponent aangebracht is door het onderling gescheiden substantieel volledig smelten van de soldeerseleilanden in een vacuüm terugvloeiingsoven (vacuum reflow oven).
5. 5. Substraat volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 4, waarbij het patroon aangepast is voor het reduceren en/of vermijden van ongelijkmatig inzakken van de elektronische component in het gesmolten soldeersel en/of het roteren van de elektronische component rond een as substantieel loodrecht op het soldeervlak van de elektronische component bij het aanbrengen van de elektronische component.
6. 6. Substraat volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 5, waarbij de soldeerseleilanden in een substantieel rechthoekige roostervorm geplaatst zijn op het substraat, waarbij de soldeerseleilanden in hoeken van de roostervorm aangepaste hoekeilanden zijn, waarbij de hoekeilanden een uitstulpend gedeelte omvatten, en waarbij het uitstulpend gedeelte zich vanuit een ten opzichte van het centrum van het patroon meest extremale zone van het hoekeiland uitstrekt weg van het centrum van het patroon.
7. 7. Substraat volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 6, waarbij de afstand tussen de soldeerseleilanden aangepast is aan minstens een massa en/of een oppervlakte van de elektronische component.
8. 8. Werkwijze voor het verbeterd aanbrengen van een elektrische component, bij voorkeur een vermogenscomponent, waarbij de elektronische component een soldeervlak omvat, op een substraat, bij voorkeur een direct gebonden koper (DBC) substraat, met soldeersel, omvattende volgende stappen: a. het voorzien van het substraat met een koperlaag, waarbij de koperlaag geschikt is voor het operationeel ontvangen van de elektrische component; b. het aanbrengen van het soldeersel in een voorafbepaald patroon op de koperlaag, bij voorkeur waarbij het soldeersel in het voorafbepaald patroon aangebracht wordt via een stencil; waarbij het soldeersel in het voorafbepaald patroon een pluraliteit van soldeerseleilanden omvat; c. het plaatsen van de elektrische component op het soldeersel in het voorafbepaald patroon, waarbij het soldeervlak gealigneerd is met het voorafbepaald patroon; d. het verwarmen van het substraat met de elektrische component tot een voorafbepaalde temperatuur, waarbij de voorafbepaalde temperatuur hoger is dan een smeltpunt van het soldeersel; met als kenmerk dat elk van de soldeerseleilanden tijdens of na het verwarmen van het substraat minstens gedeeltelijk afzonderlijk smelt, en waarbij de soldeerseleilanden tijdens of na het minstens gedeeltelijk afzonderlijk smelten van de soldeerseleilanden, samenvloeien en een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component, bij voorkeur waarbij elk van de soldeerseleilanden afzonderlijk volledig smelt en waarbij de soldeerseleilanden na het afzonderlijk volledig smelten samenvloeien en een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component, en waarbij het voorafbepaalde patroon substantieel veelhoekig is, en de soldeerseleilanden bestaan uit meerdere hoekeilanden in hoeken van het substantieel veelhoekig patroon, optioneel meerdere randeilanden langsheen zijden van het substantieel veelhoekig patroon, en optioneel één of meerdere centrale eilanden binnen het substantieel veelhoekig patroon, met als kenmerk dat de hoekeilanden aangebracht worden waarbij de hoekeilanden ten opzichte van een middelpunt van het substantieel veelhoekig patroon extremaal uitstulpend zijn.
9. 9. Werkwijze volgens de voorgaande conclusie 8, waarbij de elektronische component twee of meer soldeervlakken omvat, waarbij het soldeersel aangebracht wordt in twee of meer ruimtelijk gescheiden, voorafbepaalde patronen, waarbij het soldeersel in elk van de voorafbepaalde patronen een pluraliteit van soldeerseleilanden omvat, waarbij tijdens het plaatsen van de elektronische component de soldeervlakken gealigneerd zijn met de voorafbepaalde patronen, en waarbij elk van de soldeerseleilanden van de soldeervlakken afzonderlijk volledig smelten, en waarbij de soldeerseleilanden per patroon na het afzonderlijk volledig smelten samenvloeien en de patronen elk een enkelvoudige soldeerverbinding vormen tussen de koperlaag en het soldeervlak van de elektronische component.
10. 10. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 8 of 9, waarbij een omgeschreven veelhoek van het substantieel veelhoekig patroon substantieel gelijkvormig is met het soldeervlak van de elektronische component, en met als kenmerk dat bij het plaatsen van de elektrische component de extremaal uitstulpende gedeelten van de hoekeilanden niet volledig bedekt worden door de geplaatste elektrische component.
11. 11. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 8 tot en met 10, met als kenmerk dat het voorafbepaalde patroon substantieel rechthoekig is, en de soldeerseleilanden bestaan uitvier hoekeilanden in hoeken van het substantieel rechthoekig patroon, optioneel meerdere substantieel balkvormige randeilanden langsheen zijden van het substantieel rechthoekig patroon, en optioneel één of meerdere substantieel balkvormige centrale eilanden binnen het substantieel rechthoekig patroon, waarbij de hoekeilanden elk aangebracht worden substantieel in de vorm van een eerste balk en een tweede balk, waarbij de eerste en de tweede balk onderling evenwijdige zijdenparen hebben, waarbij de eerste en de tweede balk gedeeltelijk overlappen, en waarbij de eerste en de tweede balk geen samenvallende zijden hebben, en waarbij de tweede balk extremaal uitsteekt van de eerste balk ten opzichte van een middelpunt van het substantieel rechthoekig patroon, bij voorkeur waarbij de optionele randeilanden en centrale eilanden een substantieel vierkante projectie op het substraat hebben, en waarbij de eerste en de tweede balk een substantieel vierkante projectie op het substraat hebben, bij verdere voorkeur waarbij de vierkante projectie van de tweede balk een kortere zijde heeft dan de vierkante projectie van de eerste balk en waarbij de ten opzichte van het patroon meest extremale ribbe van de eerste en de tweede balk en het ten opzichte van het patroon meest centraal liggende punt van de eerste en de tweede vierkante balk substantieel coplanair liggen.
12. 12. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 8 tot en met 12, waarbij de soldeerseleilanden aangebracht worden met een kortste afstand tot een naburig soldeerseleiland omvat tussen ongeveer 100 pm en ongeveer 800 pm.
13. 13. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 8 tot en met 13, waarbij de soldeerseleilanden een gemiddeld volume aan soldeersel omvatten tussen ongeveer 0.4 mm3 en 1.5 mm3.
14. 14. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 8 tot en met 14, waarbij het verwarmen van het substraat met de elektrische component tot een voorafbepaalde temperatuur uitgevoerd wordt door een vacuüm terugvloeiingsoven (vacuum reflow oven).
15. 15. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 13 tot en met 15, waarbij de kortste afstand aangepast is aan minstens een massa en/of een oppervlakte van de elektronische component.
16. 16. Substraat met één of meerdere elektronische componenten, waarbij minstens één van de elektronische componenten aangebracht is op het substraat volgens één van de voorgaande conclusies 8 tot en met 16.