DE10102848A1 - Adhesion of electronic circuit carriers e.g. circuit boards to heat sink using double-sided adhesive film, by applying isostatic pressure via fluid in pressure chamber - Google Patents
Adhesion of electronic circuit carriers e.g. circuit boards to heat sink using double-sided adhesive film, by applying isostatic pressure via fluid in pressure chamberInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben von mit Bauteilen bestückten elektronischen Schaltungsträgern mit einem Kühlkörperteil durch eine beidseitig klebenden Klebefolie, sowie einen nach einem solchen Verfahren hergestellten Verbund aus Kühlkörper und unbestücktem Schaltungsträger.The invention relates to a method for gluing electronic components Circuit carriers with a heat sink part by a double-sided adhesive film, as well a composite of heat sink and bare manufactured by such a method Circuit carriers.
Immer häufiger ist es notwendig die anfallende Eigenerwärmung elektronischer Bauteile auf gedruckten Schaltung oder auf anderen Schaltungsträgern an Kühlflächen abzuführen. In den letzten Jahren werden laufend neue Leistungsbauteile und Prozessoren angeboten, die in Oberflächenmontage-Technik im Reflowverfahren grossflächig auf den Schaltungsträger gelötet werden können.It is increasingly necessary that the self-heating of electronic components occurs dissipate printed circuit or on other circuit carriers on cooling surfaces. In the In recent years, new power components and processors have been offered on an ongoing basis Surface mounting technology soldered to the circuit board over a large area using the reflow process can be.
Über Wärmevias (Cu-Durchkontaktierungen innerhalb der Lötflächen, auf die die Leistungsbauteile gelötet werden) wird die anfallende Wärme an die Rückseite des Schaltungsträger transportiert. Durch Verkleben der unbestückten Seite (Rückseite) des Schaltungsträgers auf eine Kühlflächen aus z. B. Aluminium oder Kupfer mit Hilfe eines wärmeleitenden Klebers wird die anfallende Wärme dann effektiv an die Kühlfläche abgegeben. Um elektrische Entkopplung der elektronischen Schaltung vom Kühlkörper zu erreichen wird eine elektrisch isolierende aber thermisch leitende Verbindung benötigt. Via thermal vias (copper vias within the soldering areas to which the Power components are soldered), the heat accumulated at the back of the Circuit carrier transported. By gluing the bare side (back) of the Circuit carrier on a cooling surface from z. B. aluminum or copper using a the heat is then effectively released to the cooling surface. In order to achieve electrical decoupling of the electronic circuit from the heat sink, a electrically insulating but thermally conductive connection required.
Unter dem Begriff Heat-Sink Technologie ist eine Montagetechnik in den letzten Jahren bekannt geworden, bei der die Verklebung mit beidseitig klebender Klebefolie vorgenommen wird.In recent years, assembly technology has been known as heat sink technology in which the gluing is carried out with double-sided adhesive film.
Bei anderen Schaltungsträgern wie z. B. auf Keramik aufgedruckten Schaltungen, wird, wegen der guten Wärmeleitung dieses Materials, die Wärme auch ohne durchmetallisierte Löcher auf die Rückseite der Schaltung geleitet. Die Ableitung der Wärme an einen Kühlkörper kann ebenfalls durch eine beiderseitig klebende Klebefolie kostengünstig erfolgen, weil keine thermische Aushärtung eines Klebers nötig ist.In other circuit carriers such. B. printed on ceramic circuits, because of good heat conduction of this material, the heat even without through-plated holes on the Headed back of the circuit. The heat can also be dissipated to a heat sink by a double-sided adhesive film inexpensive, because no thermal Curing of an adhesive is necessary.
Aus US-Patent 4 965 699 ist das Prinzip der HS-Leiterplatte durch Verschrauben der Leiterplatte auf dem Kühlkörper bekannt gemacht worden.From US patent 4 965 699 the principle of the HS circuit board is by screwing the circuit board announced on the heat sink.
In DE 195 19 776 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der Kühlkörper mittels einer beidseitig klebenden gut wärmeleitenden Folie an der Leiterplatte befestigt wird.DE 195 19 776 describes a method in which the heat sink is used on both sides adhesive heat-conducting film is attached to the circuit board.
Auch die Patente 195 49 354 A und DE 41 24 035 A beschreiben Verklebungen von Leiterplatten mit Klebefolie auf einen Kühlkörper. Eine weitere Offenlegungsschrift EP 0902 609 A1 beschreibt das Aufbringen der Klebefolie durch ein abrollendes Verfahren bei dem Tempern ein wesentliches Merkmal ist, um mögliche Lufteinschlüsse zu vermeiden.Patents 195 49 354 A and DE 41 24 035 A also describe the bonding of printed circuit boards with adhesive film on a heat sink. Another publication EP 0902 609 A1 describes the application of the adhesive film by a rolling process during the annealing an essential feature is to avoid possible air pockets.
Das Verkleben des Schaltungsträgers auf einen Kühlkörper oder Kühlblech kann vorteilhaft durch eine vorgestanzte, dünne beidseitig klebende Klebefolie vorgenommen werden. (Schaltungsträger können z. B. gedruckte Schaltungen aus FR4 oder Folien oder Dickschichtschaltungen sein). Als Klebefolien werden z. B. 50 µm-150 µm dicke wärmeleitende oder auch nicht speziell wärmeleitende, elektrisch isolierende Folien auf Acrylbasis verwendet, die durch silikonisierte Deckfolien (Wachspapier u. ä.) abgedeckt, auf die gewünschte Form gestanzt werden können. Für die gute thermische Wärmeleitung ist es wichtig, dass die Verklebung des Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper, insbesondere bei den Flächen, an denen die wärmeerzeugenden Leistungsbauteile montiert sind, ohne Lufteinschlüsse und mit gutem Kontakt miteinander verklebt sind. Gluing the circuit carrier to a heat sink or heat sink can be advantageous be made using a pre-cut, thin, double-sided adhesive film. (Circuit carriers can e.g. printed circuits made of FR4 or foils or Thick-film circuits). As adhesive films z. B. 50 microns-150 microns thick thermally conductive or not particularly heat-conductive, electrically insulating foils based on acrylic are used, covered by siliconized cover foils (wax paper, etc.) to the desired shape can be punched. For good thermal heat conduction, it is important that the Gluing the circuit board to the heat sink, especially in the areas where the heat generating power components are assembled, without air pockets and with good Contact are glued together.
Um einen Schaltungsträger und eine Kühlfläche mit einer solchen Klebefolie zu verkleben sind
im Wesentlichen folgende Verfahrensschritte bekannt:
In order to glue a circuit carrier and a cooling surface with such an adhesive film, the following process steps are essentially known:
- - Positionsgenaues Auflaminieren der einseitig abgedeckten vorgestanzten Klebefolie auf den Kühlkörper (oder den Schaltungsträger) z. B. durch mechanisches Aufwalzen mit einer elastischen Gummiwalze oder einer, einer Löschblattwiege ähnlichen Vorrichtung. Dies ist wegen der ebenen Fläche des z. B. Kühlkörpers, der dünnen Klebefolie und dem linienförmigen Abrollvorgang i. d. R. gut ohne Lufteinschlüsse möglich. Diese Montage der Klebefolie auf z. B. den Kühlkörper ist z. B. in EP 0 902 609 A1 beschrieben, wobei hier ein wesentliches Merkmal das Tempern ist, um prozesssicher ohne Lufteinschlüsse zu verkleben.- Precise positioning of the pre-cut adhesive film covered on one side onto the Heatsink (or the circuit board) z. B. by mechanical rolling with a elastic rubber roller or a device similar to a blotter cradle. This is because of the flat surface of the z. B. heat sink, the thin adhesive sheet and the line-shaped rolling process i. d. Usually possible without air pockets. This assembly of the Adhesive film on z. B. the heat sink is such. B. described in EP 0 902 609 A1, here a An essential feature of tempering is to ensure reliable bonding without air pockets.
-
- Entfernen der Deckfolie von der auflaminierten Klebefolie. Der 2. Fügepartner, der
Schaltungsträger (oder der Kühlkörper) wird entsprechend über dem anderen Fügepartner
positioniert und auf die Klebefläche gefügt.
Problem bei diesem Arbeitsgang ist es, dass sowohl der Schaltungsträger wie auch ein kostengünstiger Kühlkörper nie ganz planparallel ist, sondern diese eine gewisse Unebenheit aufweisen. Die Klebefolie lässt auf Grund ihrer hohen Klebrigkeit beim ungleichmässigen Aufsetzen der Fügepartner die eingeschlossene Luft nicht mehr austreten. Lufteinschlüsse würden aber die Wärmeleitung erheblich verschlechtern, wodurch das Ziel, gute Wärmeableitung zu erhalten, verhindert wäre.
Um bei diesem Arbeitsgang Lufteinschlüsse zu vermeiden, wird z. B. die eine Fläche (z. B. der Schaltungsträger) auf die andere Fläche, z. B. der Kühlkörper mit offener Klebefolie, wie ein Buchdeckel auf das Buch geklappt und über einen flächigen Stempel angedrückt. Eine andere, möglicherweise noch nicht veröffentlichte Methode in diesem Zusammenhang ist, dass dieser Positionier- und Fügeprozess bei Unterdruck bzw. im Vakuum vorgenommen wird. Auch damit ist das Fügen der Klebepartner ohne Lufteinschlüsse möglich. Durch das Belüften der Vorrichtung werden die zu verklebenden Klebepartner mit Atmosphärendruck aneinandergedrückt. - Remove the cover film from the laminated adhesive film. The 2nd joining partner, the circuit carrier (or the heat sink) is positioned accordingly over the other joining partner and joined on the adhesive surface.
The problem with this operation is that both the circuit carrier and an inexpensive heat sink are never completely plane-parallel, but that they have a certain unevenness. The adhesive film no longer allows the trapped air to escape due to its high stickiness when the joining partners are placed unevenly. Air pockets would, however, significantly impair the heat conduction, which would prevent the goal of obtaining good heat dissipation.
In order to avoid air pockets during this operation, z. B. the one surface (z. B. the circuit carrier) on the other surface, z. B. the heat sink with open adhesive film, folded like a book cover on the book and pressed on a flat stamp. Another method that may not yet be published in this context is that this positioning and joining process is carried out under negative pressure or in a vacuum. This also enables the adhesive partners to be joined without air pockets. By venting the device, the adhesive partners to be glued are pressed together at atmospheric pressure. - - Zur sicheren und formschlüssigen Verklebung der Klebepartner müssen diese jedoch durch entsprechende Ausübung von Druck, bei einer geeigneten Temperatur über eine gewisse Zeit miteinander verpresst werden. Bekanntermassen können die topographischen Unebenheiten der Schichtschaltung nur dadurch vom Folienkleber vollständig benetzt und ausgeglichen werden, wenn der Folienkleber durch ausreichenden Druck zum Fliessen gebracht wird. Druck und Temperatur während der Verpressung sind individuell anzupassen an die Fügepartner. Drücke von 1,5-20 bar und Temperaturen von Raumtemperatur -150°C sind möglich.- However, for the adhesive partners to be securely and positively bonded, they must be appropriate application of pressure at a suitable temperature for a certain time are pressed together. As is known, the topographical bumps the layer circuit only fully wetted and balanced by the film adhesive when the film adhesive is made to flow with sufficient pressure. Pressure and temperature during pressing must be individually adapted to the Joining partners. Pressures of 1.5-20 bar and temperatures of room temperature are -150 ° C possible.
Ein derart hergestellter Verbund von Schaltungsträger und Kühlfläche kann im weiteren wie eine normale gedruckte Schaltung auf der nichtverklebten Seite mit Lotpaste bedruckt, mit Bauteilen bestückt und z. B. im Reflowverfahren gelötet werde.A composite of circuit carrier and cooling surface produced in this way can furthermore be like a normal printed circuit printed on the non-glued side with solder paste, with components equipped and z. B. are soldered in the reflow process.
Der immer höhere Rationalisierungsdruck in der Industrie einerseits und die immer dichtere
Anordnung von Bauteilen auf Schaltungsträgern zur Verkleinerung des Bauvolumens der Geräte
machen es erforderlich, dass
The ever increasing rationalization pressure in industry on the one hand and the ever denser arrangement of components on circuit boards to reduce the construction volume of the devices make it necessary that
- a) Schaltungsträger mit Kühlflächen zumindest partiell beidseitig bestückt werden können,a) circuit carriers with cooling surfaces can be fitted at least partially on both sides,
- b) Es ist wünschenswert, dass einseitig im Großnutzen bestückte Schaltungsträger vor oder nach dem Vereinzeln auch in diesem bestückten Zustand noch mit einem Kühlkörper verklebt werden können. (Rationalisierung).b) It is desirable that circuit carriers equipped on one side with large benefits in front of or after the separation even in this equipped condition with a heat sink can be glued. (Rationalization).
Dies erreicht man heute dadurch, dass eine pastöse Klebemasse auf eine der zu verklebenden Flächen dosiert oder mit Schablone gedruckt wird und der mit Bauteilen bestückte Schaltungsträger darauf formschlüssig gefügt wird. Der Kleber muss in der Regel durch einen relativ langen Temperaturprozess vernetzt und ausgehärtet werden. Während dieses Vorganges muss die Schaltung positionsgenau auf dem Kühlkörper fixiert sein. This is achieved today by applying a pasty adhesive to one of the ones to be bonded Areas dosed or printed with a template and the one equipped with components Circuit carrier on it is positively joined. The adhesive usually has to be passed through a relatively long temperature process can be networked and cured. During this process the circuit must be fixed in position on the heat sink.
Die heute bekannte Verklebetechnik mit beidseitig klebenden elastischen Klebefolien kann
nicht für bestückte Baugruppen eingesetzt werden. Sie ist i. d. R. nur einsetzbar, wenn:
The adhesive technology known today with double-sided elastic adhesive films cannot be used for assembled assemblies. As a rule, it can only be used if:
- a) Der Schaltungsträger unbestückt ist, da Kühlkörper und Schaltung flächig aufeinander gepresst werden müssen.a) The circuit carrier is empty, since the heat sink and the circuit are flat on top of each other have to be pressed.
- b) das Verpressen kann i. d. R. nur im Einzelnutzen vorgenommen werden, bzw. es müssen elastische Platten als Ausgleich zwischen die Flächen der Presse gelegt werden, wenn mehrere Schaltungen gleichzeitig verpresst werden sollen.b) the pressing can i. d. Usually only be made in single use, or it must elastic plates are placed as compensation between the surfaces of the press, if several circuits should be pressed at the same time.
Das Verpressen wird heute durch hydraulische, pneumatische oder mechanische Pressen vorgenommen und setzt voraus, dass die zu verpressenden Flächen flächig im Bereich der Klebefolie gedrückt werden können.The pressing is done today by hydraulic, pneumatic or mechanical presses made and presupposes that the surfaces to be pressed are flat in the area of Adhesive film can be pressed.
Die oben angegebenen Einschränkungen werden durch das im Folgenden beschriebene Verfahren (Erfindungsanspruch) gelöst.The above limitations are limited by what is described below Method (claim of the invention) solved.
Wie bereits angesprochen kann dieses Verfahren nicht nur auf ein- oder beidseitig bestückte Schaltungen vorteilhaft angewendet werden, sondern auch bei der Verpressung des unbestückten Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper generell.As already mentioned, this method can not only be used on one or both sides Circuits are used advantageously, but also in the pressing of the bare Circuit carrier with the heat sink in general.
Dem erfindungsgemässen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit oberflächenmontierbaren oder diskreten Bauteilen in Durchsteckmontage bestückten Schaltungsträger mittels einer beidseitig klebenden dünnen Folie mit einem Kühlkörper formschlüssig und frei von Luftblasen zu verkleben.The object of the method according to the invention is to use a surface-mountable or discrete components with push-through assembly Circuit carrier using a double-sided adhesive thin film with a heat sink to be bonded positively and free of air bubbles.
Das Verfahren baut auf dem beim Stand der Technik beschriebenen ersten Verfahrensschritt auf.The method builds on the first method step described in the prior art.
D. h. es geht davon aus, dass eine vorgestanzten Klebefolie auf den Kühlkörper positionsgenau und blasenfrei auflaminiert ist und zur weiteren Verarbeitung vorliegt. Die Klebefolie ist mit einer leicht abziehbaren Schutzfolie vor Beschädigungen und Fremdkörper geschützt. Der Kühlkörper kann in dieser Form von einem Zulieferer bezogen werden.I.e. It assumes that a pre-cut adhesive film is positioned exactly on the heat sink and is laminated without bubbles and is available for further processing. The adhesive film is included an easily removable protective film protects against damage and foreign bodies. The Heatsinks can be obtained from a supplier in this form.
- 1. Der Kühlkörper wird in einer Vorrichtung fixiert, die Deckfolie von der doppelseitigen Klebefolie abgezogen und der bestückte Schaltungsträger passgenau über dem Kühlkörper positioniert (z. B. durch federnde Stifte oder mit einem justierbaren Roboter).1. The heat sink is fixed in a device, the cover film from the double-sided Peeled off the adhesive film and the assembled circuit board fits exactly over the heat sink positioned (e.g. by resilient pins or with an adjustable robot).
- 2. Die Vorrichtung ist durch einen Deckel luftdicht verschließbar. Die Kammer wird evakuiert bis ein ausreichender Unterdruck erreicht ist. Der bestückte Schaltungsträger wird nun auf den Kühlkörper abgesenkt und an unbestückten Flächen des Schaltungsträgers und am Rand leicht angedrückt. Nach kurzer Zeit kann die Kammer wieder mit Luft geflutet werden.2. The device can be closed airtight by a lid. The chamber is evacuated until a sufficient vacuum is reached. The assembled circuit board is now on the heat sink lowered and on bare surfaces of the circuit board and on the edge lightly pressed. After a short time, the chamber can be flooded with air again.
- 3. Dieser Klebeverbund wird nun in eine Druckkammer gebracht. Über ein geeignetes flüssiges oder gasförmiges Medium wird nun ein isostatischer Druck auf die elektronische Baugruppe und den Kühlkörper aufgebracht. Vorteilhaft kann es sein, dass das Medium vorgewärmt ist. Über die Beaufschlagung mit Temperatur kann der Verpressdruck und die Verpresszeit reduziert werden. Auf diese Weise kann eine sichere, blasenfreie und formschlüssige Verklebung der Klebepartner erreicht werden.3. This adhesive bond is now placed in a pressure chamber. About a suitable liquid or gaseous medium is now an isostatic pressure on the electronic Assembly and the heat sink applied. It can be advantageous that the medium is preheated. The pressing pressure and the Pressing time can be reduced. This way, a safe, bubble free and positive bonding of the adhesive partners can be achieved.
Da dieser isostatische Druck von allen Seiten gleichmässig auf die Bauteile und den Schaltungsträger sowie den Kühlkörper einwirkt, werden die Bauteile nicht zerstört (sie halten i. d. R. hohe Drücke aus), die Lötstellen nicht belastet und die Klebepartner dennoch gleichmäßig aufeinander gepresst.Since this isostatic pressure is applied evenly from all sides to the components and the Circuit carrier and the heat sink acts, the components are not destroyed (they hold i. d. R. high pressures), the solder joints are not stressed and the adhesive partners nevertheless even pressed together.
Das erfindungsgemässe Verfahren bezieht sich auf die vorpositionierte (Verfahrensschritt 1) im Unterdruck gefügt (Verfahrensschritt 2) und unter isostatischen Druck erreichte formschlüssige Verklebung (Verfahrensschritt 3) von einem Schaltungsträger (mit oder ohne Bauteile) und einem Kühlkörper mittels beidseitig klebender elastischer Folie. Die drei Verfahrensschritte sind ausschlaggebend für die gute und reproduzierbar herstellbare wärmeleitende Verbindung des elektronischen Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper.The method according to the invention relates to the prepositioned (method step 1) in Negative pressure added (process step 2) and positive locking achieved under isostatic pressure Bonding (method step 3) from a circuit carrier (with or without components) and a heat sink by means of elastic film that is adhesive on both sides. The three process steps are crucial for the good and reproducible heat conducting connection of the electronic circuit carrier with the heat sink.
Die Ausführung des Verfahrensschrittes 1. kann über ein optisches Erkennungssystem und schrittmotorgesteuerte Roboter automatisiert werden.Method step 1 can be carried out via an optical detection system and Stepper motor controlled robots can be automated.
Die Ausführung des Verfahrensschrittes 2 kann durch einen geeignet gestalteten Deckel erfolgen, der über Dichtungen den Raum hermetisch abschließt. Ein Vakuumsystem mit ausreichender Kapazität kann den gewünschten Unterdruck in wenigen Sekunden herstellen. Das Fügen und Andrücken erfolgt nun mit dem Roboter im Unterdruck. Daraufhin kann sofort die Kammer belüftet werden.Process step 2 can be carried out using a suitably designed cover take place, which seals the room hermetically. A vacuum system with Sufficient capacity can create the desired vacuum in a few seconds. The Joining and pressing is now done with the robot in the vacuum. Thereupon the Chamber are ventilated.
Die Ausführung des Verfahrensschrittes 3 wird in einer entsprechend dimensionierten Druckkammer durchgeführt. Der Druck wird über eine geeignete (inkompressible, inerte) Flüssigkeit oder ein ausreichend inertes Gas z. B. Luft auf die im Verfahrensschritt 2 gefügte Schichtschaltung und den Kühlkörper aufgebracht. Dabei kann der Druck über einen Kompressor, eine Hydraulik oder direkt durch einen die Kammer einschliessenden Druckzylinder erzeugt werden. Nach ausreichender Dauer der Druckbeaufschlagung wird der Druck wieder weggenommen und die Teile aus der Druckkammer entfernt um neue einzuführen. Dies kann auch durch geeignete Roboter geschehen.The execution of method step 3 is dimensioned accordingly Pressure chamber performed. The pressure is measured using a suitable (incompressible, inert) Liquid or a sufficiently inert gas e.g. B. air to that added in process step 2 Layer circuit and the heat sink applied. The pressure can be a Compressor, a hydraulic system or directly through one that encloses the chamber Printing cylinders are generated. After sufficient pressure has been applied, the Pressure removed and the parts removed from the pressure chamber to introduce new ones. This can also be done using suitable robots.
Das Verpressen bei einer geeigneten Temperatur ist ebenso über das Vorwärmen des Druckmediums in einer eigenen Kammer leicht und schnell möglich. Pressing at a suitable temperature is also about preheating the Print medium easily and quickly possible in a separate chamber.
Ebenso können viele elektronische Schaltungen mit ihren Kühlkörpern oder zusammenhängende Nutzen von Schaltungsträgern mit ihren Kühlkörpern gemeinsam in der Druckkammer verpresst werden. Dieses Verfahren ermöglicht es somit eine grosse Anzahl von Schaltungen gleichzeitig in einer Kammer zu verpressen, z. B. durch Einführen ganzer Magazine in die Druckkammer.Likewise, many electronic circuits with their heat sinks or related Use of circuit carriers with their heat sinks pressed together in the pressure chamber become. This method thus enables a large number of circuits to be operated simultaneously to compress in a chamber, e.g. B. by inserting entire magazines into the pressure chamber.
Dieses Verfahren gestattet auch z. B. das einfache formschlüssige Verkleben von Leiterplatten, Folienschaltungen oder Hybridschaltkreise mittels beidseitig klebender gut wärmeleitender Klebefolien in Druckgußgehäuse ohne dass das Druckgußgehäuse plane Gegenfläche zum Pressen haben muß oder ein Temperaturprozess nötig ist um einen Kleber auszuhärten.This method also allows e.g. B. the simple positive locking of circuit boards, Foil circuits or hybrid circuits by means of good heat-conducting adhesive on both sides Adhesive films in die-cast housing without the die-cast housing having a flat counter surface to the Must have pressing or a temperature process is necessary to cure an adhesive.
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