DE10013255A1 - Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen - Google Patents

Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen

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Abstract

Eine harzgekapselte elektronische Vorrichtung, die weniger verformbar ist und eine höhere Zuverlässigkeit aufweist. Die Lötabschnitte einer Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) zur Verwendung in Brennkraftmaschinen besitzen eine erhöhte Robustheit, ferner ist die gesamte Vorrichtung physikalisch steifer, so daß sie gegenüber Biegebeanspruchungen widerstandsfähiger ist. An einem metallischen Kühlkörper (1) sind ein Hybrid-IC-Substrat (2) und die Leistungshalbleiter-Vorrichtung befestigt. Die Leistungshalbleiter-Vorrichtung ist mit dem Kühlkörper über ein Lötmittel (4) auf Sn-Sb-Legierungsbasis verbunden. Die Leistungshalbleiter-Vorrichtung und das Hybrid-IC-Substrat sowie der Kühlkörper und Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) sind mit Ausnahme eines Abschnitts der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse in ein Gehäuse (7) eingebettet, das aus einem Epoxid mit einem anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 90 Gew.-% mittels Preßspritztechniken hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein elektronische Vorrich­ tungen einschließlich elektronischer Zündvorrichtungen zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, die in Motorräumen von Straßenfahrzeugen angebracht sind, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein, und insbesondere elektronische Vorrichtungen mit harzgekapseltem Gehäuse.
Eine bekannte Struktur eines Halbleitergehäuses zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zündvorrichtungsmodulen, ist aus JP 2590601-A bekannt.
Die Zündvorrichtung-Gehäusestruktur, die dort gelehrt wird, ist so beschaffen, daß eine Leiterplatte und ein Leistungstransistor durch eine Preßspritztechnik unter Verwendung von Kunstharz und einer als Kühlkörper dienen­ den Wärmeabführungsplatte zu einem einzigen Bauteil zusammengefügt sind. Hierbei ist der Leistungstransistor mit dem Kühlkörper über einen Wärmeverteiler und eine dazwischenliegende dielektrische Platte gekoppelt.
Aus JP Hei 8-69926-A ist eine weitere für Brennkraftma­ schinen geeignete Zündvorrichtung bekannt. Bei dieser Zündvorrichtung sind im Innenraum eines kastenförmigen Kühlkörpers eine Steuerschaltungskarte und eine Lei­ stungsschaltvorrichtung angebracht. Die Leistungsschalt­ vorrichtung ist über ein Lötmittel, das eine Sn-Sb-Legie­ rung enthält, mit dem Kühlkörper verbunden, wobei die Legierung ein Gemisch aus Zinn (Sn) und Antimon (Sb) in geeigneten Mischungsverhältnissen umfaßt. Die Steuer­ schaltungskarte ist durch einen Klebstoff auf Siliciumba­ sis mit dem Kühlkörper verklebt.
Wenn diese Teile oder Komponenten in der Gehäusestruktur angebracht worden sind, wird ein Gel auf Siliciumbasis in den Kühlkörper eingespritzt. Aus JP Hei 8-69926-A ist außerdem bekannt, daß die obenerwähnte Leistungstransi­ stor-Verbindungstechnik unter Verwendung eines Lötmittels auf harzgekapselte Transistorgehäuseeinheiten (Preß­ spritzverfahren unter Verwendung von Epoxid), wovon jede lediglich einen Leistungstransistor enthält, anwendbar ist.
Ein nochmals weiterer Zugang des Standes der Technik ist aus JP Hei 9-177647-A bekannt, der eine Zündvorrichtung lehrt, die einen Halbleiter-IC-Chip aufweist, in den funktionale Schaltungsanordnungen integriert sind.
Typischerweise werden elektronische Vorrichtungen, die für einen Einsatz in Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, etwa Zündvorrichtungen, unter schwierigen Temperatur­ bedingungen verwendet, weshalb an die Komponenten strenge Anforderungen hinsichtlich der Dauerhaftigkeit und/oder der Robustheit (lange Lebensdauer) gestellt werden. Weiterhin müssen in Abhängigkeit von den erforderlichen Spezifikationen einige Zündvorrichtungen mehrere Funktio­ nen erfüllen.
Diese Anforderungen werden von dem oben diskutierten herkömmlichen Einchip-IC-Gehäusemodul nicht erfüllt. Daher besteht ein Bedarf an der getrennten Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung und ihres zugehörigen Substrats oder ihrer zugehörigen Leiterplatte in getrenn­ ten Prozeßschritten, um die erforderliche Spezifikation vollständig zu erfüllen.
In einer für Brennkraftmaschinen geeigneten Halbleiterge­ häusestruktur muß vor allem die Leistungshalbleiter- Schaltvorrichtung mit erheblicher Eigenwärmeerzeugung die Forderung nach einer langen Lebensdauer erfüllen.
Da derzeit erhältliche Leistungshalbleiter-Vorrichtungen typischerweise aus Silicium (Si) hergestellt sind, bewir­ ken insbesondere in Fällen, in denen das Silicium auf oder über dem Kühlkörper gestapelt ist, mögliche Diffe­ renzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium und der Kühlkörperwerkstoffe (beispielsweise beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient von Silicium ungefähr 3 × 10-6/°C, während der Kühlkörper, der aus Kupfer hergestellt ist, einen linearen Ausdehnungskoeffi­ zienten von ungefähr 17 × 10-6/°C besitzt), daß an den Lötabschnitten unerwünschte Beanspruchungen entstehen, die die Lebensdauer der gesamten Vorrichtung beherrschen.
Hochtemperatur-Lötmittel auf Pb-Sn-Legierungsbasis (Pb : Sn = 90 : 10), die herkömmlicherweise als Lötmittel zur Verwendung mit elektronischen Komponenten dieses Typs verwendet worden sind, können die Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten nicht ausreichend absorbieren, so daß es nach wie vor schwierig ist, die erforderliche lange Lebensdauer zu erzielen. Ein bekann­ ter Lösungsweg zur Vermeidung dieses Problems besteht darin, zusätzlich ein Wärmeentspannungselement (das beispielsweise aus Molybdän hergestellt ist) zu verwen­ den, das auflaminiert wird, um die Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten zu verringern und dadurch die sich ergebenden Beanspruchungskräfte abzu­ schwächen oder zu "entspannen".
Es könnte in Betracht gezogen werden, das obengenannte Lötmittel auf Pb-Sn-Legierungsbasis durch ein Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis (das beispielsweise aus Sn gebildet ist und Sb in einem Anteil von 5 bis 8%, Ni in einem Anteil von 0,0 bis 0,8% sowie P in einem Anteil von 0,0 bis 0,1% enthält) zu ersetzen, um eine Kopplung oder Haftung zwischen einer Leistungshalbleiter-Vorrich­ tung und ihrem zugeordneten Kühlkörper zu erzielen, wie dies etwa aus JP Hei 8-69926-A bekannt ist.
Das Lötmittel auf Sn-Sb-Basis besitzt eine inhärent hohe physikalische Robustheit oder Steifigkeit, was eine Absenkung der Ausbreitungsgeschwindigkeit thermischer Stöße, die aufgrund der Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Leistungshalbleiter-Vorrich­ tung und des Kühlkörpers auftreten, ermöglicht und daher erwarten läßt, daß die Dauerhaftigkeit der Lötabschnitte verbessert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine harzgekap­ selte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brenn­ kraftmaschinen zu schaffen, mit der eine erhöhte Dauer­ haftigkeit (lange Lebensdauer) der Lötabschnitte einer Leistungshalbleiter-Vorrichtung und ferner eine erhöhte Steifigkeit der gesamten Struktur erzielt werden können und mit der ein erhöhter Widerstand gegenüber Biegebean­ spruchungen und eine verringerte Verformbarkeit bei voller Nutzung der Vorteile von Lötmitteln auf Sn-Sb- Legierungsbasis erhalten werden können.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, für die Gesamtstruktur elektronischer Vorrichtungen im Hinblick auf Umweltprobleme bleifreie Hochtemperatur-Lötmittel zu verwenden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine harzgekapselte elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhän­ gigen Ansprüchen angegeben.
Eine elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brenn­ kraftmaschinen gemäß der Erfindung besitzt die folgenden Merkmale: an einem aus Metall hergestellten Kühlkörper sind ein Substrat mit einer Hybrid-IC (im folgenden mit "Hybrid-IC-Substrat" bezeichnet) und eine Leistungshalb­ leiter-Vorrichtung befestigt; die Leistungshalbleiter- Vorrichtung ist mit dem Kühlkörper unter Verwendung eines eine Sn-Sb-Legierungsbasis enthaltenden Lötmittels in Kontakt; und die Leistungshalbleiter-Vorrichtung und das Hybrid-IC-Substrat sowie der Kühlkörper und ein oder mehrere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse mit Ausnahme eines Teils der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse sind in ein Ge­ häuse eingebettet, das aus Epoxid mit einem anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 80 Gew.-% mittels Preßspritztechniken hergestellt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Lei­ stungshalbleiter-Vorrichtung und das Hybrid-IC-Substrat sowie der Kühlkörper und ein Teil der Eingangs- /Ausgangsanschlüsse in ein mittels Preßspritzen herge­ stelltes Epoxidgehäuse eingebettet, wobei das Epoxid vorzugsweise so beschaffen ist, daß der Anteil des anor­ ganischen Füllstoffs spezifisch in der Weise eingestellt ist, daß der resultierende lineare Ausdehnungskoeffizient des Epoxids zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizien­ ten der Leistungshalbleiter-Vorrichtung und demjenigen des Kühlkörpers liegt.
Wenn als Lötmittel ein Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsba­ sis verwendet wird, um einen Kontakt oder eine Kopplung zwischen der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (die bei­ spielsweise aus Silicium hergestellt ist) und dem Kühl­ körper (der beispielsweise aus Kupfer hergestellt ist) zu schaffen, ermöglicht die Steuerung einer geeigneten Lötmitteldicke, daß das Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsba­ sis eine thermische Verformung (Ausdehnung, Schrumpfung), die aufgrund der Differenzen zwischen den linearen Aus­ dehnungskoeffizienten zwischen Silicium und dem Kühlkör­ perwerkstoff auftritt, unterdrücken kann.
Da wie oben erwähnt das Sn-Sb-Lötmittel inhärent eine hohe physikalische Steifigkeit besitzt und da es gleich­ zeitig möglich ist, daß das mittels Preßspritzen herge­ stellte Epoxidgehäuse einen hohen Anteil eines anorgani­ schen Füllstoffs aufweist (viel höher als in Standardzu­ sammensetzungen), damit der lineare Ausdehnungskoeffizi­ ent des Epoxidgehäuses zwischen dem linearen Ausdehnungs­ koeffizienten von Silicium und demjenigen des aus Kupfer hergestellten Kühlkörpers liegt und beispielsweise unge­ fähr 10 × 10-6/°C beträgt, kann eine Verformung aufgrund einer thermischen Ausdehnung oder Schrumpfung der Lei­ stungshalbleiter-Vorrichtung und/oder des Kühlkörpers verhindert werden.
Da das Epoxid anorganische Füllstoffe in einem hohen Anteil enthält, ist zu erwarten, daß hierdurch im Gehäuse angebrachte elektronische Teile oder Komponenten mit größerer Steifigkeit befestigt sind, da es härter ist als herkömmliche Epoxidwerkstoffe, die für dielektrische Strukturen verwendet werden.
Folglich ist es möglich, die Ausbreitungsgeschwindigkeit thermischer Stöße, die aufgrund von Differenzen zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Lei­ stungshalbleiter-Vorrichtung und dem Kühlkörper auftre­ ten, zu reduzieren. Dadurch kann die Dauerhaftigkeit oder Beständigkeit der Lötabschnitte der Leistungshalbleiter- Vorrichtung verbessert werden.
Es wird ferner angemerkt, daß bei der Anwendung von Preßspritzprozessen auf Hybrid-IC-Substrate die Entste­ hung von Biegebeanspruchungen beachtet werden sollte, da derartige Hybrid-IC-Substrate im allgemeinen Keramikwerk­ stoffe auf Aluminiumoxidbasis verwenden.
In diesem Fall ermöglicht die Verwendung eines Lötmittels auf Sn-Sb-Legierungsbasis mit erhöhter Steifigkeit für die Kopplung oder Verbindung der Leistungshalbleiter- Vorrichtung, die Steifigkeit des das Hybrid-IC-Substrat unterstützenden Kühlkörpers zu erhöhen, wodurch mögliche Verformungen selbst bei Ausübung von Biegebeanspruchungen auf das Hybrid-IC-Substrat und/oder den Kühlkörper redu­ ziert werden können.
Eine harzgekapselte elektronische Vorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die folgenden Merk­ male auf: an einem aus einem Metall hergestellten Kühl­ körper sind ein Hybrid-IC-Substrat und eine Leistungs­ halbleiter-Vorrichtung befestigt; die Leistungshalblei­ ter-Vorrichtung ist mit dem Kühlkörper unter Verwendung eines Lötmittels, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, in Kontakt; ein leitendes Material auf dem Hybrid-IC-Sub­ strat enthält einen Leiter auf Ag-Pt-Legierungsbasis oder einen Leiter auf Cu-Basis, während das zum Verlöten mehrerer Komponenten mit dem Hybrid-IC-Substrat verwen­ dete Lötmittel ein Lötmittel auf Sn-Ag-Legierungsbasis oder ein Lötmittel auf Sn-Ag-Cu-Legierungsbasis sein kann; und die Leistungshalbleiter-Vorrichtung und das Hybrid-IC-Substrat sowie der Kühlkörper und ein oder mehrere der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse sind mit Aus­ nahme eines Teils der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse in einem aus Kunstharz mittels Preßspritzen hergestellten Gehäuse eingebettet.
Mit einer solchen Anordnung können thermische "Enstspan­ nungs"-Stöße bei der Leistungshalbleiter-Vorrichtung und beim Kühlkörper unterdrückt werden, wobei gleichzeitig die Vorteile von Lötmitteln auf Sn-Sb-Legierungsbasis vollständig genutzt werden können und wobei es ferner möglich ist, daß die Lötabschnitte dieser Leistungshalb­ leiter-Vorrichtung und andere Teile oder Komponenten, die ihr zugehören, unter Verwendung von bleifreien Hochtempe­ ratur-Lötmitteln befestigt werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung, die auf die Zeich­ nung Bezug nimmt; es zeigen:
Fig. 1A eine Seitenschnittansicht einer harzgekapselten elektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung;
Fig. 1B eine Draufsicht der Vorrichtung nach Fig. 1A;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung des inneren Aufbaus der Vorrichtung nach Fig. 1A oder Fig. 1B;
Fig. 3 eine Seitenschnittansicht einer herkömmlichen Zündvorrichtung;
Fig. 4 einen Ablaufplan zur Erläuterung der Montagepro­ zeßschritte für eine herkömmliche Zündvorrich­ tung; und
Fig. 5 einen Ablaufplan zur Erläuterung der Montagepro­ zeßschritte für eine Zündvorrichtung der Erfin­ dung.
Die Fig. 1A, 1B und 2 zeigen eine Zündvorrichtung, die ein Beispiel einer harzgekapselten elektronischen Vor­ richtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Hierbei zeigt Fig. 1A eine Seitenschnittansicht dieser Ausfüh­ rungsform, während Fig. 1B eine Draufsicht und Fig. 2 eine perspektivische Ansicht hiervon zeigen, wobei das Außengehäuse zur Erläuterung weggelassen ist.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Kühlkörper, der entweder aus Kupfer oder Aluminium herge­ stellt ist; das Bezugszeichen bezeichnet ein Hybrid-IC- Substrat (Hybrid-Leiterplatte); und das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung.
Am Substrat sind mehrere Teile oder Komponenten ange­ bracht (befestigt), die die geforderten Funktionen der Zündvorrichtung ausführen. Diese Komponenten umfassen einen Hybrid-IC 10, einen Chipkondensator 11, einen Mikroprozessor-IC (MIC) und dergleichen. Die Leistungs­ halbleiter-Vorrichtung 3 wird als Schaltelement verwen­ det, das einen Primärstrom an eine oder mehrere (nicht gezeigte) Zündspulen durchläßt oder unterbricht und typischerweise aus einem Leistungstransistor oder alter­ nativ als Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT) oder dergleichen gebildet ist.
Wenn ein IGBT verwendet wird, kann die Wärmeerzeugung der Schaltvorrichtung reduziert werden, was die thermischen Beanspruchungen, die aufgrund der Eigenwärmeerzeugung auftreten, reduziert oder minimiert.
Die Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 ist mit dem Kühl­ körper 1 durch ein Lötmittel 4 auf Sn-Sb-Legierungsbasis starr gekoppelt. Das Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis kann einen Werkstoff auf Sn-Basis umfassen, der Sb in einem Anteil von 5 ± 0,5 Gew.-%, Ni in einem Anteil von 0,6 ± 0,2 Gew.-% und P in einem Anteil von 0,05 ± 0,015 Gew.-% enthält.
Das Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis besitzt eine inhärent geringere Benetzbarkeit in bezug auf Kupfer oder Aluminium; wenn daher diese Lötabschnitte des Kühlkörpers 1 einer Ni-Metallisierungsbehandlung oder Ni-Plattie­ rungsbehandlung mit guter Affinität bis zu einer vorgege­ benen Dicke von 2 bis 10 Mikrometer (µm) unterworfen werden, um die erforderlichen Plattierungsprozesse abzu­ schließen, sind optimale Ergebnisse zu erwarten, wenn das hierbei verwendete Ni-Lötmittel keinen Phosphor (P) enthält, wobei bessere Ergebnisse bereits erhalten werden können, so lange das Material höchstens 10 Gew.-% Phos­ phor enthält.
Ferner ist das Lötmittel 4 auf Sn-Sb-Legierungsbasis ohne weiteres oxidierbar; daher werden die Lötprozesse unter Verwendung von Oxidations-/Reduktionsöfen in einer Was­ serstoff- oder Stickstoffatmosphäre oder alternativ in einer Atmosphäre aus Gemischen hiervon ausgeführt.
Es wird angemerkt, daß das Lötmittel 4 auf Sn-Sb-Legie­ rungsbasis insbesondere sphärische metallische Partikel oder "Mikrometallkugeln" mit einem Durchmesser von 30 bis 150 µm enthalten könnte, die ermöglichen, daß das resul­ tierende Lötmittel eine gleichmäßige Dicke besitzt.
Die Mikrometallkugeln 9 können typischerweise aus be­ stimmten Metallwerkstoffen hergestellt sein, die einen ähnlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie Sn besit­ zen, das die Hauptkomponente des Lötmittels auf Sn-Sb- Legierungsbasis bildet, d. h. 10 bis 30 × 10-6/°C. In dieser Weise wird die erwünschte Lötverbindung bei stark erhöhter Zuverlässigkeit und Stabilität erzielt.
Wegen der Tatsache, daß das Hybrid-IC-Substrat 2 unter Verwendung von Keramikwerkstoffen auf Aluminiumoxid-Basis bearbeitet wird und keine nennenswerte Wärmemenge er­ zeugt, wird dieses Substrat am Kühlkörper unter Verwen­ dung eines Klebstoffs 13 auf Harzbasis angebracht oder angeklebt.
Ein leitender Werkstoff (nicht gezeigt) auf dem Hybrid- IC-Substrat 2 ist aus einem Leiter auf Silber-Platin- Legierungsbasis (Ag-Pa-Legierungsbasis) oder alternativ auf Kupfer-Basis (Cu-Basis) hergestellt, wobei als Löt­ mittel zum Verlöten der am Hybrid-IC-Substrat 2 anzubrin­ genden Komponenten (einschließlich des Kondensators 11, der Bonddraht-Anschlußflächen 8 und dergleichen) ein Lötmittel auf Sn-Ag-Legierungsbasis oder auf ein Lötmit­ tel auf Sn-Ag-Cu-Legierungsbasis verwendet werden können. Eine typische Zusammensetzung eines Lötmittels auf Sn-Ag- Legierungsbasis enthält Ag in einem Anteil von 1 bis 4 Gew.-% in Sn.
Im Fall eines Lötmittels auf Sn-Ag-Cu-Legierungsbasis ist Ag in Sn in einem Anteil von 3 bis 4 Gew.-% und Cu in Sn in einem Anteil von 0,1 bis 1 Gew.-% enthalten. Diese Lötmittel besitzen ein inhärent höheren Schmelzpunkt als Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis und schaffen daher die Möglichkeit, eine unerwünschte Ausdiffundierung der leitenden Substratmaterialien und Lötmittel bei hohen Temperaturen in Betriebsumgebungen zu unterdrücken, ferner kann mit ihnen die Lebensdauer der Lötabschnitte verbessert werden, wobei gleichzeitig die Schmelzbarkeit bei jenen Temperaturen während der Lötmontage der Lei­ stungshalbleiter-Vorrichtung 3 niedrig ist.
Die Bezugszeichen 6-1 bis 6-3 bezeichnen Eingangs- /Ausgangsanschlüsse; beispielsweise wird ein Signalein­ gangsanschluß 6-1 zum Eingeben oder Empfangen eines von einer Motorsteuereinheit (ECU) ankommenden Zündsignals verwendet, während ein Ausgangsanschluß 6-2 mit dem Kollektor der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 verbunden ist und ein Anschluß 6-3 ein Masseanschluß ist.
Die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 6-1 bis 6-3 werden zunächst mittels Preßbearbeitung einteilig mit dem Kühl­ körper 1 hergestellt, indem sie aus derselben Metall­ platte gebildet werden. Von diesen Anschlüssen werden die beiden Anschlüsse 6-1 und 6-3, die über Leiter mit der Hybrid-IC 10 elektrisch verbunden werden sollen, vom Kühlkörper 1 abgeschnitten und getrennt, um über Drähte 5 und Anschlußflächen 8 sowie über einen oder mehrere Leiter mit der Hybrid-IC 10 elektrisch verbunden zu werden.
Der verbleibende Anschluß 6-2, der mit der Leistungshalb­ leiter-Vorrichtung 2 elektrisch verbunden werden soll, wird mit dieser über den Kühlkörper 1 und ein Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis elektrisch verbunden, wobei er mit dem Kühlkörper 1 einteilig verbunden bleibt.
Für eine primärseitige Stromsteuerung und einen Massean­ schluß der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 ist das Hybrid-IC-Substrat 2 mit der Leistungshalbleiter-Vorrich­ tung 3 über Aluminiumdrähte 5 und Anschlußflächen 8 elektrisch verbunden.
Die sich ergebende Montagestruktur der elektronischen Vorrichtung (einschließlich des Kühlkörpers 1, des Hy­ brid-IC-Substrats 2, der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3, der Aluminiumdrähte 5, des Chipkondensators 4, der Mikroprozessor-IC (MIC) und der Anschlußflächen 8) und ein Teil der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 6-1 bis 6-3 sind in ein mittels Preßspritzen hergestelltes Epoxidge­ häuse 7, das einen anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 90 Gew.-% enthält, eingebettet.
Der anorganische Füllstoff, der in das Epoxidgehäuse 7 gemischt ist, kann ein gerundeter Füllstoff wie etwa geschmolzenes Siliciumoxid sein, um die Gefahren einer Beschädigung der Halbleiterkomponenten zu reduzieren oder zu minimieren, wobei die Verwendung des anorganischen Füllstoffs in einem hohen Anteil ermöglicht, daß das Epoxid hinsichtlich seines minimalen Ausdehnungskoeffizi­ enten so eingestellt werden kann, daß dieser zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Leistungshalblei­ ter-Vorrichtung (Silicium) von 3 × 10-6/°C und demjenigen des Kühlkörpers (Kupfer) von 17 × 10-6/°C liegt; vorzugs­ weise liegt der Wert des linearen Ausdehnungskoeffizien­ ten des mit dem anorganischen Füllstoff angereicherten Epoxids bei ungefähr 10 × 10-6/°C oder etwas mehr oder etwas weniger. Es wird angemerkt, daß im Fall von Alumi­ niumoxid-Keramiken der lineare Ausdehnungskoeffizient bei ungefähr 7 × 10-6/°C liegt.
Wenn in die Vorrichtung der Erfindung von der externen ECU über den Anschluß 6-1 ein Zündsignal eingegeben wird, arbeitet die Hybrid-IC 10 in der Weise, daß die Lei­ stungshalbleiter-Vorrichtung 3 entsprechend einer Primär­ stromsteuerung eingeschaltet und ausgeschaltet wird, wodurch auf der Sekundärseite der (nicht gezeigten) Zündspule hohe Spannungen erzeugt werden.
Obwohl die Differenz zwischen den linearen Ausdehnungs­ koeffizienten des konstitutiven Materials der Leistungs­ halbleiter-Vorrichtung 3, also Silicium, und dem Material des Kühlkörpers 1, also Kupfer oder Aluminium, erheblich ist, ist es möglich, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen an den Lötkontaktabschnitten der Leistungshalblei­ ter-Vorrichtung zu erhöhen und die Lebensdauer dieser Abschnitte zu verlängern, da das Lötmittel 4 auf Sn-Sb- Legierungsbasis eine höhere Steifigkeit als derzeit erhältliche Standard-Hochtemperatur-Lötmittel (Pb : Sn = 90 : 10 oder ähnlich) und somit in Verbindung mit der Verwendung des Epoxids mit einem hohen Anteil eines anorganischen Füllstoffs (Preßspritzen) eine ausgezeich­ nete Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmezyklen besitzt.
Genauer ist das Lötmittel 4 auf Sn-Sb-Legierungsbasis aufgrund seiner hohen Steifigkeit in der Lage, eine thermische Verformung (Ausdehnung, Schrumpfung), die aufgrund einer Differenz zwischen den linearen Ausdeh­ nungskoeffizienten von Silicium und des Kühlkörperwerk­ stoffs auftritt, zu unterdrücken und gleichzeitig zuzu­ lassen, daß das mittels Preßspritzen hergestellte Epoxid­ gehäuse 7 einen spezifischen anorganischen Füllstoff in einem hohen Anteil (viel höher als der Standardanteil) enthält.
Da der lineare Ausdehnungskoeffizient zwischen dem linea­ ren Ausdehnungskoeffizienten von Silicium und demjenigen des Kühlkörpers (Kupfer) liegt und beispielsweise 10 × 10-6/°C beträgt und da eine mögliche thermische Ausdehnungs- oder Schrumpfungsverformung der Leistungs­ halbleiter-Vorrichtung 3 und/oder des Kühlkörpers 1 unterdrückt werden kann, weil das Epoxid einen anorgani­ schen Füllstoff in einem sehr hohen Anteil enthält, ist zu erwarten, daß elektronische Komponenten im Gehäuse 1 starr befestigt werden können, da der Werkstoff härter ist als herkömmliche Epoxidwerkstoffe, die in dielektri­ schen Strukturen verwendet werden.
Daher können die Ausbreitungsgeschwindigkeiten thermi­ scher Stöße, die aufgrund von Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Leistungs­ halbleiter-Vorrichtung 3 und dem Kühlkörper 1 auftreten, stärker als jemals zuvor abgesenkt werden, so daß es möglich ist, die Dauerhaftigkeit der Lötabschnitte zu verbessern.
Da bei Preßspritzprozessen in Verbindung mit dem Hybrid- IC-Substrat 2 die Entstehung von Biegebeanspruchungen berücksichtigt werden muß, wird das Hybrid-IC-Substrat typischerweise aus Keramikwerkstoffen auf Aluminiumoxid- Basis hergestellt.
In der erläuternden Ausführungsform ermöglicht die Ver­ wendung des Lötmittels 4 auf Sn-Sb-Legierungsbasis mit erhöhter Steifigkeit für die Verbindung der Leistungs­ halbleiter-Vorrichtung die Erhöhung der sich ergebenden Steifigkeit des Kühlkörpers, an dem das Hybrid-IC-Sub­ strat angebracht ist, wodurch wiederum jegliche Verform­ barkeit bei Ausübung von Biegebeanspruchungen auf das Hybrid-IC-Substrat und/oder den Kühlkörper reduziert oder minimiert wird.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform betrifft die Fähigkeit, bleifreie Hochtemperatur-Lötmittel für die Lötabschnitte in der gesamten Vorrichtung dieses Typs zu verwenden, was zu einem erhöhten Umweltschutz beiträgt.
Ein nochmals weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, daß die Anzahl der erforderlichen Teile oder Komponenten gegenüber herkömmlichen Produkten verringert ist, wobei die Herstellungskosten durch eine optimale Auslegung der Prozeßschritte der Herstellung gesenkt werden können.
In Fig. 3 ist eine Seitenschnittansicht einer herkömmli­ chen Zündvorrichtung gezeigt. In Fig. 3 werden die glei­ chen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile wie in den Fig. 1A, 1B und 2 zu bezeichnen.
Das Bezugszeichen 20 bezeichnet einen Kühlkörper, der Kastenform besitzt und in dem ein Hybrid-IC-Substrat 2 und eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 angebracht sind. Die Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 ist unter Verwendung eines Lötmittels 24 auf Pb-Sn-Legierungsbasis mit einer Molybdän-Platte (die als Wärmestoß-Entspan­ nungsmaterial dient) 22 gekoppelt, wobei die Molybdän- Platte 22 ihrerseits mittels Silber (Bezugszeichen 23) mit dem Kühlkörper 20 verlötet ist. Das Hybrid-IC-Sub­ strat 2 ist durch einen Klebstoff 27 auf Silicium-Basis oder dergleichen an den Kühlkörper 1 geklebt.
An einer gegossenen Anschlußhalterung (Anschlußeinheit- Baueinheit) 26 sind Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 6 in der Weise starr befestigt, daß sie mit dieser ein einziges Bauteil bilden, wobei die Anschlußhalterung 26 am Kühl­ körper 20 befestigt ist. In Fig. 4 ist eine Reihe von Montageprozeßschritten hiervon gezeigt.
In Fig. 5 ist der Ablauf von Montageprozeßschritten zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrich­ tung gezeigt. Wie dem Fachmann bei Betrachtung von Fig. 5 im Vergleich zu Fig. 4 ohne weiteres deutlich wird, ist diese Ausführungsform so beschaffen, daß die konstituti­ ven Komponenten der elektronischen Vorrichtung mit Aus­ nahme eines Teils der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (ex­ terne Verbindungsanschlüsse) in ein mittels Preßspritzen hergestelltes Epoxidgehäuse eingebettet sind, was im Vergleich zum Stand der Technik die folgenden Vorteile bietet:
Diese Ausführungsform erfordert keine Molybdän-Platten mehr und vermeidet die Notwendigkeit, die Anschlußbauein­ heit am Kühlkörper durch Kleben und durch Siliciumgelein­ spritz- und -härtungsprozesse zu befestigen, was wiederum eine erhebliche Verringerung der Anzahl der Teile und der Prozeßschritte mit sich bringt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Robustheit (lange Lebensdauer) der Lötabschnitte einer Leistungshalbleiter- Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, die unter schwierigen Umgebungstemperaturbedingungen verwen­ det wird, zu verbessern, gleichzeitig können niedrige Herstellungskosten für die hochzuverlässige elektronische Vorrichtung erzielt werden. Die elektronische Vorrichtung ist gegenüber Biegebeanspruchungen widerstandsfähig und somit aufgrund der erhöhten Steifigkeitseigenschaften der gesamten Vorrichtung weniger verformbar ist.
Für die gesamte elektronische Vorrichtung kann ein blei­ freies Hochtemperatur-Lötmittel verwendet werden, was einen Beitrag zum Umweltschutz darstellt.

Claims (6)

1. Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß
an einem aus Metall hergestellten Kühlkörper (1) ein Hybrid-IC-Substrat (2) und eine Leistungshalbleiter- Vorrichtung (3) befestigt sind,
die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) mit dem Kühlkörper (1) über ein Lötmittel (4) in Kontakt ist, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, und
die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) und das Hybrid-IC-Substrat (2) sowie der Kühlkörper (1) und eine oder mehrere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) mit Ausnahme eines Abschnitts der Eingangs- /Ausgangsanschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) in ein Gehäuse (7) eingebettet sind, das aus einem Epoxid mit einem anorga­ nischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 90 Gew.-% mittels Preßspritztechniken hergestellt ist.
2. Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß
an einem aus Metall hergestellten Kühlkörper (1) ein Hybrid-IC-Substrat (2) und eine Leistungshalbleiter- Vorrichtung (3) befestigt sind,
die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) mit dem Kühlkörper (1) unter Verwendung eines Lötmittels (4) auf Sn-Sb-Legierungsbasis verbunden und in Kontakt ist,
die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) und das Hybrid-IC-Substrat (2) sowie der Kühlkörper (1) und ein oder mehrere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) mit Ausnahme eines Abschnitts der Eingangs-/Ausgangs­ anschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) in ein Gehäuse (7) eingebettet sind, das aus einem Epoxid mit einem anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 90 Gew.-% mittels Preßspritztechniken hergestellt ist, und
die Menge des anorganischen Füllstoffs im Epoxid so eingestellt ist, daß der lineare Ausdehnungskoeffizi­ ent dieses Epoxids einen Wert zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Leistungshalbleiter-Vorrich­ tung (3) und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers (1) besitzt.
3. Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß
an einem aus Metall hergestellten Kühlkörper (1) ein Hybrid-IC-Substrat (2) und eine Leistungshalbleiter- Vorrichtung (3) befestigt sind,
die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) mit dem Kühlkörper (1) über ein Lötmittel (4) in Kontakt ist, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, wobei ein leitendes Mate­ rial des Hybrid-IC-Substrats (2) einen Leiter auf Ag-Pt- Legierungsbasis oder einen Leiter auf Cu-Basis enthält, während ein Lötmittel, das zum Anlöten mehrerer Komponen­ ten an dem Hybrid-IC-Substrat (2) verwendet wird, ein Lötmittel auf Sn-Ag-Legierungsbasis oder ein Lötmittel auf Sn-Ag-Cu-Legierungsbasis ist und
die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) und das Hybrid-IC-Substrat (2) sowie der Kühlkörper (1) und ein oder mehrere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) mit Ausnahme eines Abschnitts der Eingangs-/Ausgangs­ anschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) in ein Gehäuse (7) eingebettet sind, das aus Kunstharz mittels Preßspritztechniken hergestellt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter- Vorrichtung (3) eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist, die verwendet wird, um den Primärstrom in eine Zündspule der Brennkraftmaschine zuzulassen und zu unterbrechen, und das Hybrid-IC-Substrat (2) die Funktion hat, den Primärstrom der Zündspule zu steuern.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel (4) auf Sn-Sb- Legierungsbasis sphärische Metallteile mit einem Durch­ messer von 30 bis 150 µm enthält, um dadurch die Filmdicke des Lötmittels zu steuern.
6. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Preßbearbeiten der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) einteilig mit dem Kühlkörper (1) unter Verwendung derselben Metallplatte,
Abschneiden und Trennen ausgewählter der An­ schlüsse (6-1, 6-2, 6-3) vom Kühlkörper (1) und Verbinden dieser Anschlüsse mit dem Hybrid-IC-Substrat (2) über Bonddrähte, und
Verbinden ausgewählter der Anschlüsse (6-1, 6-2, 6-3) mit dem Kühlkörper (1) und dann über den Kühlkörper (1) und das Lötmittel (4) auf Sn-Sb-Legierungsbasis mit der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3).
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