DE10013255B4 - Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen - Google Patents

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Abstract

Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, mit
einem aus Metall hergestellten Kühlkörper (1), an dem ein Hybrid-IC-Substrat (2) und eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) befestigt sind, und
einem Gehäuse (7) aus Epoxid, in das die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3), 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) eingebettet sind
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) mit dem Kühlkörper (1) über ein Lötmittel (4) in Kontakt ist, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, und
das Gehäuse (7) aus einem Epoxid mit einem anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 90 Gew.-% mittels Pressspritztechniken hergestellt ist, und das Lötmittel (4) auf Sn-Sb-Legierungsbasis sphärische Metallteile mit einem Durchmesser von 30 bis 150 μm enthält, um dadurch die Filmdicke des Lötmittels zu steuern.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein elektronische Vorrichtungen 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 2 590 601 B2 , auch als JP 04-361 484 A veröffentlicht, 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 dienenden 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 8-69 926 A ist eine weitere für Brennkraftmaschinen geeignete Zündvorrichtung bekannt. Bei dieser Zündvorrichtung sind im Innenraum eines kastenförmigen Kühlkörpers eine Steuerschaltungskarte und eine Leistungsschaltvorrichtung angebracht. Die Leistungsschaltvorrichtung ist über ein Lötmittel, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, mit dem Kühlkörper verbunden, wobei die Legierung ein Gemisch aus Zinn (Sn) und Antimon (Sb) in geeigneten Mischungsverhältnissen umfasst. Die Steuerschaltungskarte ist durch einen Klebstoff auf Silizumbasis mit dem Kühlkörper verklebt.
  • Wenn diese Teile oder Komponenten in der Gehäusestruktur angebracht worden sind, wird ein Gel auf Siliziumbasis in den Kühlkörper eingespritzt. Aus JP 8-69126 A ist außerdem bekannt, dass die obenerwähnte Leistungstransistor-Verbindungstechnik unter Verwendung eines Lötmittels auf harzgekapselte Transistorgehäuseeinheiten (Pressspritzverfahren unter Verwendung von Epoxid), wovon jede lediglich einen Leistungstransistor enthält, anwendbar ist.
  • Ein nochmals weiterer Zugang des Standes der Technik ist aus JP 9-17 7647 A bekannt, der eine Zündvorrichtung lehrt, die einen Halbleiter-IC-Chip aufweist, in den funktionale Schaltungsanordnungen integriert sind.
  • Die Druckschrift DE 40 06 153 C2 zeigt eine Epoxidharzmasse zum Einkapseln von Halbleitern, die ein Epoxidharz, einen Härter, einen Füllstoff aus α-Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mindestens 99,5 Gew.-% einem Na2O-Gehalt von bis zu 0,03 Gew.-% einem durch die Extraktion mit Wasser bei 100°C bestimmten Na-Ionen-Gehalt von bis zu 5 ppm und einem analog bestimmten Cl-Ionen-Gehalt von bis zu 1 ppm, wobei das α-Aluminiumoxid eine mittlere Teilchengröße von 5 bis 60 μm mit einem Anteil von bis zu 1 Gew.-% von Teilchen mit einer Teilchengröße von mindestens 250 μm aufweist, und ein aus der Gruppe der Silikon-modifizierten Epoxidharze und Silikon-modifizierten Phenolharze ausgewähltes Harz umfasst.
  • Die Druckschrift DE 196 10 112 A1 offenbart ein Verfahren zum positionsgenauen Auflöten von flächigen Halbleiterchips auf ein Substrat, bei dem ein Vakuum in einem Lötraum ein Oberteil gegenüber einem Unterteil relativbewegt und die an dem Oberteil seitenstabil gehaltenen Chips in das erwähnte Lot hineindrückt, sowie eine Vorrichtung für die Durchführung dieses Verfahrens. Das Lot enthält körner, bei denen es sich beispielweise um Kupferkügelchen handeln kann.
  • Typischerweise werden elektronische Vorrichtungen, die für einen Einsatz in Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, etwa Zündvorrichtungen, unter schwierigen Temperaturbedingungen 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 Funktionen 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 getrennten Prozessschritten, um die erforderliche Spezifikation vollständig zu erfüllen.
  • In einer für Brennkraftmaschinen geeigneten Halbleitergehäusestruktur muss vor allem die Leistungshalbleiter-Schaltvorrichtung mit erheblicher Eigenwärmeerzeugung die Forderung nach einer langen Lebensdauer erfüllen.
  • Da derzeit erhältliche Leistungshalbleiter-Vorrichtungen typischerweise aus Silizium (Si) hergestellt sind, bewirken insbesondere in Fällen, in denen das Silizium auf oder über dem Kühlkörper gestapelt ist, mögliche Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und der Kühlkörperwerkstoffe (beispielsweise beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient von Silizium ungefähr 3 × 10–6/°C, während der Kühlkörper, der aus Kupfer hergestellt ist, einen linearen Ausdehnungskoeffizienten 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 verwenden, das auflaminiert wird, um die Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten zu verringern und dadurch die sich ergebenden Beanspruchungskräfte abzuschwächen 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-Vorrichtung und ihrem zugeordneten Kühlkörper zu erzielen, wie dies etwa aus JP 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-Vorrichtung und des Kühlkörpers auftreten, ermöglicht und daher erwarten lässt, dass die Dauerhaftigkeit der Lötabschnitte verbessert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen zu schaffen, mit der eine erhöhte Dauerhaftigkeit (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 Biegebeanspruchungen 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 Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in dem abhängigen Anspruch angegeben.
  • Eine elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen zur Erläuterung 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 Leistungshalbleiter-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 Gehäuse eingebettet, das aus Epoxid mit einem anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 80 Gew.-% mittels Pressspritztechniken hergestellt ist.
  • Die Erfindung lehrt eine harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, mit einem aus Metall hergestellten Kühlkörper, an dem ein Hybrid-IC-Substrat und eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung befestigt sind, und einem Gehäuse aus Epoxid, in das die Leistungshalbleiter-Vorrichtung, das Hybrid-IC-Substrat sowie der Kühlkörper und eine oder mehrere Eingangs- /Ausgangsanschlüsse mit Ausnahme eines Abschnitts der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse eingebettet sind, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leistungshalbleiter-Vorrichtung mit dem Kühlkörper über ein Lötmittel in Kontakt ist, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, und das Gehäuse aus einem Epoxid mit einem anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 90 Gew.-% mittels Pressspritztechniken hergestellt ist, und das Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis sphärische Metallteile mit einem Durchmesser von 30 bis 150 μm enthält, um dadurch die Filmdicke des Lötmittels zu steuern.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Leistungshalbleiter-Vorrichtung und das Hybrid-IC-Substrat sowie der Kühlkörper und ein Teil der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse in ein mittels Pressspritzen hergestelltes Epoxidgehäuse eingebettet, wobei das Epoxid vorzugsweise so beschaffen ist, dass der Anteil des anorganischen Füllstoffs spezifisch in der Weise eingestellt ist, dass der resultierende lineare Ausdehnungskoeffizient des Epoxids zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Leistungshalbleiter-Vorrichtung und demjenigen des Kühlkörpers liegt.
  • Wenn als Lötmittel ein Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis verwendet wird, um einen Kontakt oder eine Kopplung zwischen der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (die beispielsweise aus Silizium hergestellt ist) und dem Kühlkörper (der beispielsweise aus Kupfer hergestellt ist) zu schaffen, ermöglicht die Steuerung einer geeigneten Lötmitteldicke, dass das Lötmittel auf Sn-Sb-Legierungsbasis eine thermische Verformung (Ausdehnung, Schrumpfung), die aufgrund der Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Silizium und dem Kühlkörperwerkstoff auftritt, unterdrücken kann.
  • Da wie oben erwähnt das Sn-Sb-Lötmittel inhärent eine hohe physikalische Steifigkeit besitzt und da es gleichzeitig möglich ist, dass das mittels Pressspritzen hergestellte Epoxidgehäuse einen hohen Anteil eines anorganischen Füllstoffs aufweist (viel höher als in Standardzusammensetzungen), damit der lineare Ausdehnungskoeffizient des Epoxidgehäuses zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und demjenigen des aus Kupfer hergestellten Kühlkörpers liegt und beispielsweise ungefähr 10 × 10–6/°C beträgt, kann eine Verformung aufgrund einer thermischen Ausdehnung oder Schrumpfung der Leistungshalbleiter-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 Leistungshalbleiter-Vorrichtung und dem Kühlkörper auftreten, 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 Entstehung von Biegebeanspruchungen beachtet werden sollte, da derartige Hybrid-IC-Substrate im allgemeinen Keramikwerkstoffe 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 reduziert werden können.
  • Eine harzgekapselte elektronische Vorrichtung gemäß der Erfindung kann die folgenden Merkmale aufweisen: an einem aus einem Metall hergestellten Kühlkörper sind ein Hybrid-IC-Substrat und eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung befestigt; die Leistungshalbleiter-Vorrichtung ist mit dem Kühlkörper unter Verwendung eines Lötmittels, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, in Kontakt; ein leitendes Material auf dem Hybrid-IC-Substrat enthält einen Leiter auf Ag-Pt-Legierungsbasis oder einen Leiter auf Cu-Basis, während das zum Verlöten mehrerer Komponenten mit dem Hybrid-IC-Substrat verwendete 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 Ausnahme eines Teils der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse in einem aus Kunstharz mittels Pressspritzen hergestellten Gehäuse eingebettet.
  • Mit einer solchen Anordnung können thermische ”Entspannungs”-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 Leistungshalbleiter-Vorrichtung und andere Teile oder Komponenten, die ihr zugehören, unter Verwendung von bleifreien Hochtemperatur-Lötmitteln befestigt werden können.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:
  • 1A eine Seitenschnittansicht einer harzgekapselten elektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 1B eine Draufsicht der Vorrichtung nach 1A;
  • 2 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung des inneren Aufbaus der Vorrichtung nach 1A oder 1B;
  • 3 eine Seitenschnittansicht: einer herkömmlichen Zündvorrichtung;
  • 4 einen Ablaufplan zur Erläuterung der Montageprozessschritte für eine herkömmliche Zündvorrichtung; und
  • 5 einen Ablaufplan zur Erläuterung der Montageprozessschritte für eine Zündvorrichtung der Erfindung.
  • Die 1A, 1B und 2 zeigen eine Zündvorrichtung, die ein Beispiel einer harzgekapselten elektronischen Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Hierbei zeigt 1A eine Seitenschnittansicht dieser Ausführungsform, während 1B eine Draufsicht und 2 eine perspektivische Ansicht hiervon zeigen, wobei das Außengehäuse zur Erläuterung wegggelassen ist.
  • In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Kühlkörper, der entweder aus Kupfer oder Aluminium hergestellt ist; das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein Hybrid-IC-Substrat (Hybrid-Leiterplatte); und das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung.
  • Am Substrat sind mehrere Teile oder Komponenten angebracht (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 Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 wird als Schaltelement verwendet, das einen Primärstrom an eine oder mehrere (nicht gezeigte) Zündspulen durchlässt oder unterbricht und typischerweise aus einem Leistungstransistor oder alternativ 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 Kühlkörper 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-Plattierungsbehandlung mit guter Affinität bis zu einer vorgegebenen Dicke von 2 bis 10 Mikrometern (μm) unterworfen werden, um die erforderlichen Plattierungsprozesse abzuschließen, 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.-% Phosphor enthält.
  • Ferner ist das Lötmittel 4 auf Sn-Sb-Legierungsbasis ohne weiteres oxidierbar; daher werden die Lötprozesse unter Verwendung von Oxidations-/Reduktionsöfen in einer Wasserstoff- oder Stickstoffatmosphäre oder alternativ in einer Atmosphäre aus Gemischen hiervon ausgeführt.
  • Es wird angemerkt, dass das Lötmittel 4 auf Sn-Sb-Legierungsbasis insbesondere sphärische metallische Partikel oder ”Mikrometallkugeln” mit einem Durchmesser von 30 bis 150 μm enthält, die ermöglichen, dass das resultierende Lötmittel eine gleichmäßige Dicke besitzt.
  • Die Mikrometallkugeln 9 können typischerweise aus bestimmten Metallwerkstoffen hergestellt sein, die einen ähnlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie Sn besitzen, 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 erzeugt, wird dieses Substrat am Kühlkörper unter Verwendung 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 Lötmittel zum Verlöten der am Hybrid-IC-Substrat 2 anzubringenden Komponenten (einschließlich des Kondensators 11, der Bonddraht-Anschlussflächen 8 und dergleichen) ein Lötmittel auf Sn-Ag-Legierungsbasis oder auf ein Lötmittel 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 Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 niedrig ist.
  • Die Bezugszeichen 6-1 bis 6-3 bezeichnen Eingangs-/Ausgangsanschlüsse; beispielsweise wird ein Signaleingangsanschluss 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 Kühlkörper 1 hergestellt, indem sie aus derselben Metallplatte 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 Leistungshalbleiter-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 Masseanschluss der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 ist das Hybrid-IC-Substrat 2 mit der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 über Aluminiumdrähte 5 und Anschlussflächen 8 elektrisch verbunden.
  • Die sich ergebende Montagestruktur der elektronischen Vorrichtung (einschließlich des Kühlkörpers 1, des Hybrid-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 Epoxidgehäuse 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 Siliziumoxid 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 Ausdehnungskoeffizienten so eingestellt werden kann, dass dieser zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (Silizium) von 3 × 10–6/°C und demjenigen des Kühlkörpers (Kupfer) von 17 × 10–6/°C liegt; vorzugsweise liegt der Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten 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 Aluminiumoxid-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 Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 entsprechend einer Primärstromsteuerung eingeschaltet und ausgeschaltet wird, wodurch auf der Sekundärseite der (nicht gezeigten) Zündspule hohe Spannungen erzeugt werden.
  • Obwohl die Differenz zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten des konstitutiven Materials der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3, also Silizium, und dem Material des Kühlkörpers 1, also Kupfer oder Aluminium, erheblich ist, ist es möglich, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen an den Lötkontaktabschnitten der Leistungshalbleiter-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 ausgezeichnete 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 Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und des Kühlkörperwerkstoffs auftritt, zu unterdrücken und gleichzeitig zuzulassen, dass das mittels Pressspritzen hergestellte Epoxidgehäuse 7 einen spezifischen anorganischen Füllstoff in einem hohen Anteil (viel höher als der Standardanteil) enthält.
  • Da der lineare Ausdehnungskoeffizient zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und demjenigen des Kühlkörpers (Kupfer) liegt und beispielsweise 10 × 10–6/°C beträgt und da eine mögliche thermische Ausdehnungs- oder Schrumpfungsverformung der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 3 und/oder des Kühlkörpers 1 unterdrückt werden kann, weil das Epoxid einen anorganischen 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 dielektrischen Strukturen verwendet werden.
  • Daher können die Ausbreitungsgeschwindigkeiten thermischer Stöße, die aufgrund von Differenzen zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Leistungshalbleiter-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 Verwendung des Lötmittels 4 auf Sn-Sb-Legierungsbasis mit erhöhter Steifigkeit für die Verbindung der Leistungshalbleiter-Vorrichtung die Erhöhung der sich ergebenden Steifigkeit des Kühlkörpers, an dem das Hybrid-IC-Substrat angebracht ist, wodurch wiederum jegliche Verformbarkeit 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 3 ist eine Seitenschnittansicht einer herkömmlichen Zündvorrichtung gezeigt. In 3 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile wie in den 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-Entspannungsmaterial dient) 22 gekoppelt, wobei die Molybdän-Platte 22 ihrerseits mittels Silber (Bezugszeichen 23) mit dem Kühlkörper 20 verlötet ist. Das Hybrid-IC-Substrat 2 ist durch einen Klebstoff 27 auf Silizium-Basis oder dergleichen an den Kühlkörper 20 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 Kühlkörper 20 befestigt ist. In 4 ist eine Reihe von Montageprozessschritten hiervon gezeigt.
  • In 5 ist der Ablauf von Montageprozessschritten zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung gezeigt. Wie dem Fachmann bei Betrachtung von 5 im Vergleich zu 4 ohne weiteres deutlich wird, ist diese Ausführungsform so beschaffen, dass die konstitutiven Komponenten der elektronischen Vorrichtung mit Ausnahme eines Teils der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (externe 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 Anschlussbaueinheit am Kühlkörper durch Kleben und durch Siliziumgeleinspritz- 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 verwendet 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 bleifreies Hochtemperatur-Lötmittel verwendet werden, was einen Beitrag zum Umweltschutz darstellt.

Claims (2)

  1. Harzgekapselte elektronische Vorrichtung zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, mit einem aus Metall hergestellten Kühlkörper (1), an dem ein Hybrid-IC-Substrat (2) und eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) befestigt sind, und einem Gehäuse (7) aus Epoxid, in das die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3), 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) eingebettet sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) mit dem Kühlkörper (1) über ein Lötmittel (4) in Kontakt ist, das eine Sn-Sb-Legierung enthält, und das Gehäuse (7) aus einem Epoxid mit einem anorganischen Füllstoff in einem Anteil von 70 bis 90 Gew.-% mittels Pressspritztechniken hergestellt ist, und das Lötmittel (4) auf Sn-Sb-Legierungsbasis sphärische Metallteile mit einem Durchmesser von 30 bis 150 μm enthält, um dadurch die Filmdicke des Lötmittels zu steuern.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des anorganischen Füllstoffs im Epoxid so eingestellt ist, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient des Epoxids einen Wert zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (3) und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers (1) besitzt.
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