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Die vorliegende Erfindung betrifft ein miteinander Verbinden von Bauelementen einer Schaltungsanordnung.
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Bei bekannten Schaltungsanordnungen werden unter anderem die folgenden Methoden zum Verbinden von Bauelementen eingesetzt: Lottechnik, Klebetechnik, Schrauben, Crimpen etc. Damit kann z. B. eine mechanische Fixierung unter Beibehaltung der elektrischen Leitfähigkeit realisiert werden.
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Bei diesen Techniken ergeben sich eine Reihe von Nachteilen. Ein Nachteil steht beispielsweise darin, dass immer zusätzliche Hilfsmittel bzw. Hilfsstoffe erforderlich sind, die zwischen oder an den zu fixierenden Kontaktflächen eingesetzt werden (z. B. Lot, Kleber, Schrauben etc.).
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Mit Einbringung dieser Hilfsstoffe ergibt sich oftmals z. B. der Nachteil, dass Veränderungen der Hilfsstoffe unter innerer sowie äußerer Belastung (z. B. elektro-thermo-mechanisch, Zeit) sich auf die Qualität der mechanischen Verbindung bzw. Fixierung auswirken. So ”altern” z. B. Lote unter einer inneren sowie äußeren Belastung und verlieren mit der Zeit ihre ursprüngliche Funktion der mechanischen Fixierung unter Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit. Dieser Verlust wirkt sich negativ auf die Lebensdauer des verbundenen Systems aus.
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Außerdem ergibt sich mit Einbringung von Hilfsstoffen oftmals z. B. der Nachteil eines erhöhten Platzbedarfes. So gibt es z. B. bei der mechanischen Fixierung mit Lot Vorgaben bezüglich der Geometrie (”Lotpad”). In der Praxis mehr oder weniger strenge Vorgaben verhindern eine Erhöhung bzw. Optimierung der Packungsdichte.
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Wenn bei der mechanischen Fixierung zweier Bauelemente zusätzliche Hilfsmittel (z. B. Schrauben, Nieten, Kleber, etc.) verwendet werden, um die zwei oder mehrere Partner miteinander zu verbinden, so ergibt sich in manchen Anwendungsfällen eine weitere Problematik. Wenn nämlich die Verbindung zusätzlich eine Dichtfunktion beinhaltet, so müssen geeignete Dichtmittel (Einlegedichtung, eingespritzte Dichtung etc.) miteingebaut werden. Dies macht den entsprechenden Fügeprozess meist besonders zeitintensiv, schlecht automatisierbar und somit kostenintensiv. Auf der anderen Seite bedeutet eine große Anzahl an Einzelteilen auch einen logistischen Mehraufwand und Lagerhaltungskosten.
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Im Hinblick auf ein elektrisches Verbinden im Bereich von Schaltungsanordnungen ist im Stand der Technik auch das so genannte ”Drahtbonden” bekannt. Eine damit geschaffene Verbindung soll einer inneren wie äußeren Belastung standhalten und eine elektrische Leitfähigkeit dauerhaft gewährleisten. In der Praxis treten jedoch über die Lebenszeit oftmals Probleme auf. Ein solches Problem ergibt sich z. B. durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche mechanische Spannungen in den betreffenden Materialien hervorrufen können. Im Extremfall können Bonddrähte bei innerer oder äußerer Belastung einreißen oder sogar von den betreffenden Kontaktflächen abreißen, so dass die elektrische Verbindung unterbrochen ist. Die oftmals nachteilige Limitierung von Drahtbondverbindungen betrifft prinzipiell alle nach dem Stand der Technik eingesetzten Methoden, wie z. B. ”Wedge-Wedge-Bonden”, ”Ribbon-Bonden”, ”Ball-Wedge-Bonden” etc.
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Soweit zum miteinander Verbinden von Bauelementen ein Lötprozess eingesetzt wird, so ergibt sich oftmals eine weitere Problematik, die darin besteht, dass Lunker im Lot gebildet werden.
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Solche Lunker können insbesondere durch Gasblasen gebildet werden, die beim Löten oftmals durch ein Ausgasen eines Flussmittels entstehen und das Lot verdrängen. Dadurch können insbesondere relativ große Lunker entstehen, die dann, oftmals sehr nachteilig, als thermische Isolatoren wirken und dadurch z. B. eine Überhitzung eines elektrischen oder elektronischen Bausteines zur Folge haben können. Ein bekannter Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, ein großes Pad durch mehrere kleinere Pads zu ersetzen, um somit die Größe der Lunker zu begrenzen. Dieser Lösungsansatz beschränkt sich in der Praxis jedoch auf relativ große Padgeometrien. Für kleinere Padgeometrien ist dieser Ansatz ungeeignet.
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Bei einer mechanischen Fixierung von Kühlkörpern bzw. Wärmesenken ist eine möglichst optimale thermische Anbindung wünschenswert. Zur optimalen Kühlung beispielsweise von elektrischen Bauelementen und Substraten sind sehr kleine thermische Übergangswiderstände im gesamten Wärmepfad notwendig. Luftspalte oder Materialien mit einem großen Wärmewiderstand verhindern eine optimale Wärmeabführung. Auch unter diesem Aspekt sind die bekannten Verbindungsmethoden nachteilig. Ein Nachteil besteht z. B. darin, dass Wärmesenken bzw. Kühlkörper oftmals durch zusätzliche Montageelemente (z. B. Schrauben, Klammern, etc.) am zu kühlenden Bauelement bzw. Substrat befestigt werden müssen. Insbesondere bei solchen Befestigungsmethoden entsteht oftmals ein Luftspalt, der z. B. durch eine Wärmeleitfolie oder Paste geschlossen werden muss. Derartige Maßnahmen verschlechtern jedoch oftmals die Wärmeabführung durch eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien und/oder durch die Schaffung zusätzlicher Übergangswiderstände.
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Die vorstehenden Erläuterungen veranschaulichen einerseits, dass die bislang bekannten Verbindungstechniken im Bereich von Schaltungsanordnungen in vielerlei Hinsicht verbesserungsbedürftig sind, und andererseits, dass die Begriffe ”Schaltungsanordnung” und ”Bauelement” hierbei sehr breit zu verstehen sind.
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Aus der
DE 199 58 328 A1 und der
US 2006/0223231 A1 ist jeweils ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Chip-Kontaktelemente-Einheiten und externen Kontaktanschlüssen bekannt, bei dem eine Chip-Kontaktelemente-Einheit aus einem Chip mit mindestens einem Kontaktelement besteht und das Kontaktelement elektrisch leitend mit mindestens einem externen Kontaktanschluss verbunden werden soll, wobei die Chip-Kontaktelemente-Einheit auf einem Substrat mit Kontaktanschüssen platziert wird, und wobei die Verbindung des Kontaktelements der Chip-Kontaktelemente-Einheit mit dem externen Kontaktanschluss des Substrats durch ein Eindrücken des Kontaktelementmaterials in das Kontaktanschlussmaterial mittels Stanzen oder Pressen erfolgt. Dabei kann die Oberfläche des Kontaktanschlusses aufgeraut sein.
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Aus der
US 2004/0238602 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Lötbumps zur mechanischen und elektrischen Verbindung von beispielsweise Halbleiterchips bekannt, bei dem die Bumps angeraut werden.
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Die
EP 0 827 244 A2 offenbart ein Gehäuse, bei dem zwei Gehäuseteile miteinander verbunden werden, wobei zwischen den Gehäuseteilen mit zumindest einer der Trennfugenflächen eine Beschichtung stoffschlüssig verbunden ist. Diejenige Fläche der Trennfuge, die die Beschichtung trägt, kann dabei aufgeraut sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Schaltungsanordnung mit einem Gehäusedeckel und einem Gehäuseboden, bei denen der Gehäusedeckelrand und der Randbereich des Gehäusebodens jeweils eine Kontaktfläche bilden, diese mechanisch und/oder elektrisch miteinander zu verbinden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung mit einem Gehäusedeckel und einem Gehäuseboden, wobei der Gehäusedeckelrand und der Randbereich des Gehäusebodens jeweils eine Kontaktfläche bilden, umfasst die Verfahrensschritte: Bereitstellen des Gehäusedeckels und des Gehäusebodens, Aufrauen mindestens einer der beiden Kontaktflächen; Verbinden des Gehäusedeckels und des Gehäusebodens durch eine direkte Aneinanderfügung; Aufeinanderpressen der Kontaktflächen zur mechanischen Fixierung und/oder elektrischen Kontaktierung des Gehäusedeckels und des Gehäusebodens.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass für die Schaffung der Verbindung kein Hilfsstoff (z. B. Lot, Kleber, Schrauben, Nieten etc.) erforderlich ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für eine automatisierte Fixierung und kann gegebenenfalls auch eine Dichtfunktion übernehmen. Ganz allgemein können mit der Erfindung Lötprozesse von bekannter Art ersetzt oder verbessert werden. Eine mit der erfindungsgemäßen Verbindung realisierbare Dichtfunktion kann von großem praktischen Nutzen sein.
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Ein für den jeweiligen Anwendungsfall geeignetes Ausmaß an Druck beim Aneinanderfügen der betreffenden Bauelemente hängt von der Art und Beschaffenheit (z. B. Material und Aufrauungsgeometrie) der betreffenden Kontaktflächen ab und kann im Einzelfall optimiert gewählt werden. Der Fügeprozess kann auch z. B. mittels Ultraschall und/oder eine Temperierung durchgeführt oder unterstützt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine der beiden Kontaktflächen eine Metallfläche ist.
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Bei den beiden Kontaktflächen kann es sich um Flächen gleicher oder unterschiedlicher Beschaffenheit handeln. So können z. B. zwei als Metallflächen ausgebildete Kontaktflächen aneinandergefügt werden. Alternativ kann z. B. eine Metallfläche mit einer Kunststofffläche verbunden werden. Bei einer Metall-Metall-Verbindung kann z. B. eine Aufrauung beider Metallflächen vorgesehen sein, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung realisiert werden kann. Bei einer Metall-Kunststoff-Verbindung oder ganz allgemein einer Verbindung zwischen einem relativ festen Material und einem relativ weichen Material (gegebenenfalls auch beides Metalle) kann eine Formschlussverbindung auch dann geschaffen werden, wenn das weichere Material vor dem Fügen nicht aufgeraut wurde.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aufrauung im Mikrostrukturbereich vorgesehen ist. Beispielsweise können typische Abmessungen von Aufrauungsstrukturen kleiner als 1 μm sein.
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Die vorstehend erläuterten Weiterbildungen bzw. Besonderheiten der Schaltungsanordnung können einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander vorgesehen werden. Entsprechende Weiterbildungen und Ausgestaltungen können auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltungsanordnung eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass vor und/oder während des Fügeprozesses eine Temperierung der Verbindungsstelle erfolgt, insbesondere z. B. das Aufeinanderpressen bei einer erhöhten Temperatur erfolgt.
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Was den Aufrauungsprozess als solchen anbelangt, so kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft auf an sich bekannte Techniken zurückgegriffen werden. In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass das Aufrauen eine mechanische Bearbeitung der betreffenden Kontaktfläche umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann z. B. vorgesehen sein, dass das Aufrauen den Einsatz einer Ionenstrahltechnik umfasst.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine schematische Darstellung eines Aufrauungsprozesses für zwei miteinander zu verbindende Kontaktflächen,
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2 eine der 1 entsprechende Darstellung nach Abschluss des Aufrauungsprozesses,
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3 eine der 2 entsprechende Ansicht nach dem Zusammenfügen der beiden Kontaktflächen,
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4 eine Draufsicht einer Kontaktflächenanordnung bei einem QFN-Bauelement,
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5 eine der 4 entsprechende Ansicht für ein SMD-Bauelement,
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6 eine Draufsicht einer bestückten Schaltungsplatte,
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7 eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsbereiches gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
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8 eine perspektivische Ansicht eines Verbunds aus zwei Leiterplatten,
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9 eine perspektivische Ansicht eines Verbunds aus zwei Leiterplatten über eine weitere, flexible Leiterplatte,
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10 eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Platzbedarfs von Lötpads,
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11 eine schematische Seitenansicht eines Abdichtungsbereiches zwischen einem Gehäusedeckel und einem Gehäuseboden von herkömmlicher Gestaltung,
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12 eine Ansicht ähnlich der 11, jedoch von erfindungsgemäßer Gestaltung,
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13 eine Ansicht ähnlich der 11, gemäß einer modifizierten Ausführungsform,
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14 eine Ansicht ähnlich der 13, jedoch für eine erfindungsmäße Gestaltung,
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15 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Drahtbondens gemäß zweier Ausführungsvarianten,
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16 eine Darstellung zur Veranschaulichung von Lötprozessen,
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17 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Erhöhung einer Kühloberfläche bei einem Kühlkörper mittels eines Aufrauungsprozesses,
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18 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Anbringung eines Kühlkörpers an einem Bauelement einer Schaltungsanordnung, und
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19 eine Veranschaulichung von konkreteren Anwendungsbeispielen des in 18 dargestellten Anbringungsverfahrens.
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Die 1 bis 3 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Schaltungsanordnung, bei welcher zumindest zwei Bauelemente galvanisch und/oder mechanisch zu verbinden sind.
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1 zeigt beim Aufbau einer (insgesamt nicht dargestellten) Schaltungsanordnung galvanisch und mechanisch miteinander zu verbindende Bauelemente 10-1 und 10-2 (z. B. elektronische Komponente und Schaltungsträger).
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Die Bauelemente 10-1 und 10-2 weisen jeweils eine Kontaktfläche 12-1 bzw. 12-2 auf, bei denen es sich im dargestellten Ausführungbeispiel um Metallflächen handelt, an denen die Verbindung zwischen den Bauelementen realisiert werden soll. In 1 ist ferner eine Ionenstrahleinrichtung 14 symbolisiert, mittels welcher zunächst eine Aufrauung zumindest einer der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 erfolgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden beide Kontaktflächen aufgeraut, bevorzugt jeweils im Mikrostrukturbereich.
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2 zeigt (stark schematisiert und vergrößert) das Ergebnis des Aufrauungsprozesses von 1. An jeder der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 ist eine Vielzahl von abstehenden Strukturkörpern geschaffen.
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3 zeigt, wie sich nach einer Aneinanderfügung der Bauelemente 10-1 und 10-2 an deren Kontaktflächen 12-1 bzw. 12-2 diese Strukturkörper ineinander verzahnen. Damit wird eine vorteilhaft einfach zu realisierende, mechanisch stabile und elektrisch gut leitfähige Verbindung der Bauelemente geschaffen.
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Zusammenfassend veranschaulicht dieses Ausführungsbeispiel eine mechanische Fixierung einer Metallfläche auf einer anderen Metallfläche unter Erhalt der elektrischen Leitfähigkeit. Es können zwei Metallflächen gleicher oder unterschiedlicher Beschaffenheit so miteinander fixiert werden, dass die Verbindung einer inneren sowie einer äußeren Belastung standhält, und zwar unter Beibehaltung der elektrischen Leitfähigkeit an dieser Verbindungsstelle. Anders als die bislang nach dem Stand der Technik eingesetzten Methoden zur Fixierung von Metallflächen kann die in 3 veranschaulichte Verbindung in vielen Anwendungsfällen eine höher Lebensdauer aufweisen und/oder den jeweiligen Belastungen länger widerstehen. Außerdem kann die in 3 veranschaulichte Fixierungsmethode oftmals mit einem geringen Oberflächenbedarf als z. B. eine herkömmliche Verlötung ausgeführt werden.
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Wesentlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel die durch einen Ionenstrahl (alternativ z. B. durch eine mechanische Bearbeitung) modifizierte Kontaktfläche eines oder beider Bauelemente 10-1 und 10-2. Durch die Strukturveränderung der Metalloberflächen können die Flächen in der Form modifiziert werden, dass ähnlich einem Klettverschluss eine mechanische Verbindung oder auch Verzahnung zwischen den zusammengeführten Kontaktflächen 12-1 und 12-2 erreicht wird. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte auch nur eine der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 aufgeraut werden, wenn nämlich bei dem Fügeprozess, gegebenenfalls unter entsprechender Druckanwendung (und/oder Temperierung), dennoch eine Verzahnung zwischen den Strukturkörpern der aufgerauten Fläche mit der unbehandelten Fläche stattfindet, die hierfür z. B. aus einem Material mit entsprechender Nachgiebigkeit gebildet werden kann.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Kontaktflächen 12-1 und 12-2 direkt aneinandergefügt. Dies besitzt beispielsweise den Vorteil eines geringen Platzbedarfes der Verbindungsstelle in Fügerichtung. Dieser geringe Platzbedarf kann bei der betreffenden Schaltungsanordnung z. B. für eine hohe Packungsdichte genutzt werden.
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Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte jedoch auch ein Hilfsstoff verwendet werden, der eine zusätzliche mechanische Fixierung und/oder eine Verbesserung der galvanischen Verbindung mit sich bringt bzw. dessen Verbindungswirkung durch die beschriebene Aufrauung wenigstens einer der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 hinsichtlich der Belastbarkeit bzw. der Lebensdauer verbessert wird.
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Bei der in 3 dargestellten Fixierung der aufgerauten Kontaktflächen 12-1 und 12-2 kann zusätzlich eine Anwendung von vergleichsweise hohem mechanischen Druck und/oder eine Temperierung, insbesondere eine erhöhte Temperatur, angewendet werden. Als gegebenenfalls zwischengefügter Hilfsstoff kommt z. B. ein Kleber oder ein Lot in Betracht.
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Bei den Bauelementen 12-1 und 12-2 kann es sich um ”Bauelemente im engeren Sinne” handeln, also insbesondere elektrische oder elektronische Komponenten (z. B. Halbleiterbausteine), die mechanisch und elektrisch mit einem Schaltungsträger (z. B. Leiterplatte) verbunden werden, um die betreffende Schaltungsanordnung auszubilden. Ganz allgemein kann für das beschriebene Verbindungsverfahren jedoch z. B. ein Schaltungsträger selbst als ”Bauelement” der betreffenden Schaltungsanordnung angesehen werden. Ebenso kann ein in dieser Weise galvanisch und/oder mechanisch anzubindendes Bauelement von einer Gehäuseanordnung der Schaltungsanordnung gebildet sein.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Die 4 und 5 zeigen jeweils ein Beispiel eines gehäusten Halbleiter-Bauelements von an sich bekannter Art.
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4 ist eine Draufsicht der Unterseite eines so genannten QFN(quad flat no-lead)-Bauelements 10a-1. Im dargestellten Beispiel weist das Bauelement 10a-1 32 Kontaktflächen 12a-1 (”Anschlusspads”) auf. Bei der Herstellung einer Schaltungsanordnung können diese Kontaktflächen 12a-1 z. B. mit korrespondierend angeordneten Kontaktflächen eines Schaltungsträgers (z. B. Leiterplatte) galvanisch und mechanisch verbunden werden.
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Das miteinander Verbinden der korrespondierenden Kontaktflächen kann hierbei wie anhand der 1 bis 3 bereits beschrieben erfolgen.
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5 zeigt in einer Draufsicht die Unterseite eines so genannten SMD(surface-mounted device)-Bauelements 10b-1, welches im dargestellten Beispiel zwei Kontaktflächen 12b-1 aufweist.
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Bei vielen standardisierten elektronischen Bauelementen bzw. Bauelementgehäusen ist für einen herkömmlichen Verlötungsvorgang auf einer Schaltungsplatte vorgesehen, dass die korrespondierenden Kontaktflächen der Leiterplatte geringfügig größer bemessen sind als die Kontaktflächen des Bauelements. Wenn die galvanische und/oder mechanische Verbindung bei solchen Bauelementen realisiert wird, so können die korrespondierenden Kontaktflächen des betreffenden ”Fügepartners” (z. B. Leiterplatte) vorteilhaft kleiner dimensioniert werden, insbesondere z. B. mit identisch zu den Bauelement-Kontaktflächen dimensionierten Flächen.
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6 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 16c umfassend eine Leiterplatte 10c-2, die an ihrer Oberseite mit einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen bestückt ist. Zumindest einige dieser Bauelemente sind als so genannte ”bare-dies” (ungehäuste Chips) 10c-1 ausgebildet und, beispielsweise wie oben bereits anhand der 1 bis 3 beschrieben, galvanisch und mechanisch mit korrespondierenden Leiterbahnabschnitten der Leiterplatte 10c-2 verbunden.
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7 veranschaulicht eine Beispiel eines elektronischen Bauelements 10d-1 auf einer Leiterplatte 10d-2. Die Leiterplatte 10d-2 ist mit elektrischen Durchführungen (”vias”) 18d von an sich bekannter Art versehen, in deren Bereichen eine elektrische Kontaktierung des Bauelements 10d-1 über so genannte Lotkugeln 20d erfolgt.
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Eine Besonderheit dieser galvanischen und mechanischen Verbindung besteht darin, dass mit dem Lot in Kontakt tretende Kontaktflächenbereiche der Durchführungen 18d und/oder des Bauelements 10d-1 zuvor aufgeraut wurden.
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8 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 16e umfassend ein erstes Substrat 10e-1 und ein zweites Substrat 10e-2, die galvanisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Diese Verbindung besteht zwischen Kontaktflächen an der Unterseite des ersten Substrats 10e-1 und korrespondierenden Kontaktflächen an der Oberseite zweiten Substrats 10e-2. Bei den Substraten 10e-1 und 10e-2 kann es sich um organische und/oder anorganische Substrate handeln.
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Wie es in 8 ersichtlich ist, dienen beide Substrate 10e-1 und 10e-2 jeweils als Schaltungsträger zur elektrischen Verbindung weiterer Bauelemente der Schaltungsanordnung 16e.
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9 zeit ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 16f umfassend zwei starre Leiterplatten 10f-1, die über eine flexible Leiterplatte (”flex PCB”) 10f-2 miteinander verbunden sind.
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Wie es aus 9 ersichtlich ist, dienen die starren Leiterplatten 10f-1 als Schaltungsträger zur Aufnahme von herkömmlichen elektronischen Bauelementen. Die Besonderheit der Schaltungsanordnung 16f besteht in der Art und Weise der galvanischen und mechanischen Anbindung der beiden Endbereiche der flexiblen Leiterplatte 10f-2 an entsprechenden Kontaktierungsbereichen an den Oberseiten der starren Leiterplatten 10f-1. Von diesen beiden ”Fügepartnern” weist zumindest einer eine aufgeraute Kontaktflächenanordnung auf.
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10 veranschaulicht den herkömmlicherweise großen Platzbedarf von Kontaktflächen 12g-2 an einer Flachseite eines Substrats 10g-2 zur Kontaktierung entsprechender Kontaktflächen eines elektronischen Bauelements 10g-1 (z. B. SMD-Komponente).
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Wenn die substratseitigen Kontaktflächen 12g-2 oder die bauteilseitigen Kontaktflächen oder beide dieser Kontaktflächen aufgeraut werden, so können die substratseitigen Kontaktflächen 12g-2 kleiner als in 10 dargestellt vorgesehen werden. Die Verbindung kann durch einfaches Aneinanderfügen bzw. Pressen erfolgen, wobei keineswegs ausgeschlossen sein soll, dass als Hilfsstoff z. B. ein Lot oder ein elektrisch leitfähiger Kleber zwischengefügt wird. Insbesondere bei Verwendung eines Lots ist es zweckmäßig den Pressvorgang bei erhöhter Temperatur durchzuführen. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Verlötung (ohne Aufrauung wenigstens einer Kontaktfläche) ergibt sich eine wesentlich verbesserte Kontaktsicherheit und Haltbarkeit der Verbindung. Außerdem kann der Fügeprozess z. B. mittels Ultraschall durchgeführt oder unterstützt werden.
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Bei den obigen Ausführungsbeispielen gemäß der 1 bis 10 steht die bekannte Verwendung der Aufrauung von Kontaktflächen zur galvanischen und/oder mechanischen Verbindung von Bauelementen im engeren Sinne und Schaltungsträgern im Vordergrund.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf die 11 bis 14 die Verwendung der Erfindung für ”Bauelemente” in Form von Gehäusen oder Gehäuseteilen von Schaltungsanordnungen veranschaulicht.
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11 zeigt in einer schematischen Seitenansicht die an sich bekannte Anbindung des Randbereiches eines Gehäusedeckels 30h einer (nicht dargestellten) Schaltungsanordnung an einem Gehäuseboden 32h mittels einer Dichtung 34h. Nicht dargestellt sind für diese Verbindungsmethode übliche Befestigungsmittel (z. B. Schrauben, Nieten etc.), welche den Gehäusedeckel 30h in der dargestellten Lage bezüglich des Gehäusebodens 32h fixieren und die Dichtung 34h dazwischen einklemmen.
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Nachteiligerweise müssen die Gehäuseteile 30h und 32h unter Verwendung solcher Befestigungsmittel (auch z. B. Kleber) miteinander verbunden werden. Die hier gewünschte Dichtfunktion der Verbindung erfordert einen speziellen Dichtwerkstoff in Form der Dichtung 34h (z. B. Einlegedichtung, Dichtraupe, Dichtgel etc.), was einen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung der Schaltungsanordnung darstellt.
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Die Vermeidung dieser zusätzlichen Teile sowie des schwer automatisierbaren Aufwands lassen sich in einfacher Weise durch eine Modifikation realisieren, wie sie z. B. in 12 dargestellt ist.
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12 zeigt wieder einen Gehäusedeckel 10h-1, dessen Deckelrand mit einem Randbereich eines Gehäusebodens 10h-2 mechanisch verbunden ist, wobei eine Dichtfunktion an dieser Verbindungsstelle gewährleistet ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gehäuseboden 10h-2 aus Metall gefertigt und der Gehäusedeckel 10h-1 aus Kunststoff gefertigt. Zur Herstellung der Verbindung zwischen Gehäuseboden und Gehäusedeckel wurde eine Kontaktfläche des metallischen Gehäusebodens 10h-2 aufgeraut (z. B. mittels Ionenstrahl) und sodann der Deckel 10h-1 auf den Boden 10h-2 aufgepresst. Das aufgeraute Metall-Teil 10h-2 weist im Verbindungsbereich nach oben abstehende Strukturelemente auf, die sich beim Pressvorgang in das Kunststoffmaterial des Deckels 10h-1 eindrücken, so dass eine formschlüssige Verbindung entsteht.
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Die so realisierte Verbindung besitzt vorteilhaft bereits eine Dichtfunktion, so dass sich die Bereitstellung und Montage einer separaten Dichtung oder dergleichen erübrigt.
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Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte das Aufrauen auch für beide Fügepartner (Deckel 10h-1 und Boden 10h-2) vorgesehen sein. Auch könnten die Materialien anders als vorstehend beschrieben gewählt sein. Auch bei solchen modifizierten Ausführungen entsteht beim Zusammenbau eine Verbindung, die form- und/oder kraftschlüssig sein kann. Werden z. B. der Deckel 10h-1 wie auch der Boden 10h-2 aus Metall gebildet und an den korrespondierenden Kontaktflächen aufgeraut und miteinander verbunden, so entsteht hauptsächlich eine kraftschlüssige Verbindung, die außerdem formschlüssig sein kann, falls ein Fügepartner eine gewisse Elastizität bzw. Verformbarkeit aufweist.
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Beim Fügevorgang der Partner kann zusätzlich ein relativ hoher Druck und gegebenenfalls auch eine erhöhte Temperatur eine positive Auswirkung auf die Festigkeit bzw. die Dichtheit der geschaffenen Verbindung haben.
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Vorteilhaft kann durch die geometrische Strukturveränderung wenigstens einer der beteiligten Oberflächen eine Verwendung von bislang üblichen Hilfsstoffen (Schrauben, Dichtungen etc.) entfallen. Der Montageprozess wird damit stark vereinfacht und die Materialkosten verringert.
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13 zeit ein modifiziertes Beispiel einer Verbindung zwischen einem Gehäusedeckel 30i und einem Gehäuseboden 32i, wobei eine Abdichtung im dargestellten Randbereich der Gehäuseanordnung 30i, 32i in an sich bekannter Weise unter Verwendung von zwei Dichtungen 34i und 36i erfolgt. Diese Dichtungen dichten jeweils gegenüber einem Abstandhalter 38i ab.
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14 zeigt eine ähnliche Gehäusestruktur mit einem Gehäusedeckel 10j-1 und einem Gehäuseboden 10j-2, die wieder über einen Abstandhalter 10j-3 dichtend miteinander verbunden sind. Wie es in 14 symbolisiert ist, sind die Übergänge vom Abstandhalter 10j-3 einerseits zum Deckel 10j-1 hin und andererseits zum Boden 10j-2 hin jeweils in erfindungsgemäßer Weise ausgeführt.
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Die obigen Ausführungsbeispiele gemäß der 12 und 14 veranschaulichen somit eine mechanische Fixierung zweier oder mehrerer Bauelemente einer Schaltungsanordung mit optionaler Dichtwirkung.
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15 veranschaulicht die Verwendung der Aufrauung für ein verbessertes Drahtbonden.
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In 15 oben ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein elektronisches Bauelement 10k-1 (z. B. Chip) über einen Bonddraht 10k-2 an der Oberseite eines ”Zielpads” eines Substrats bzw. einer Leiterplatte 10k-3 kontaktiert ist. Die Leiterplatte 10k-3 trägt (vermittels einer Leitkleberschicht) auch das elektronische Bauelement 10k-1.
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Eine erste galvanische und mechanische Verbindung besteht zwischen dem Bauelement 10k-1 bzw. dessen Kontaktfläche 12k-1 und dem in der Figur rechten Ende des Bonddrahts 10k-2. Zur Herstellung dieser Verbindung wurde zunächst die Kontaktfläche 10k-1 aufgeraut. So dann wurde der (in diesem Beispiel nicht zuvor aufgeraute) Bonddraht 10k-2 auf die aufgeraute Kontaktfläche 12k-1 aufgepresst.
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Eine zweite, in entsprechender Weise hergestellte Verbindung ist zwischen dem in der Figur linken Ende des Bonddrahts 10k-2 und der Leiterplatte 10k-3 bzw. deren Kontaktfläche 12k-3 vorgesehen. Auch an dieser Stelle wurde vor dem Aufpressen des Bonddrahts 10k-2 die leiterplattenseitige Kontaktfläche 12k-3 aufgeraut. Die Situation unmittelbar vor dem Aufpressen der Bonddrahtenden ist im rechten Teil der 15 dargestellt.
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In 15 unten ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel einer verbesserten Bonddrahtverbindung (z. B. für ”Ribbon bonding”) dargestellt. Ein Bonddraht 10l-2 ist an beiden Drahtenden galvanisch und mechanisch mit Kontaktflächen 12l-3 bzw. 12l-1 jeweiliger Schaltungsträger (z. B. DCB) 10l-3 bzw. 10l-1 verbunden. Die beiden Schaltungsträger sind an ihren Unterseiten mit einer gemeinsamen Basisplatte bzw. Wärmesenke 40l verbunden. Anders als bei dem Beispiel gemäß 15 wurde hierbei zur Herstellung der beiden Verbindungen jeweils nicht nur die jeweiligen substratseitigen Kontaktflächen 12l-3 bzw. 12l-1 aufgeraut, sondern auch zusätzlich die als Kontaktflächen dienenden Endbereiche des Bonddrahts 10l-2 (in 15 rechts unten veranschaulicht).
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Die Drahtbondausführung gemäß 15 besitzt für viele Anwendungen eine bessere Haltbarkeit als die üblicherweise lediglich unter Druck, Ultraschall und/oder temperaturerzeugten Drahtbondverbindung.
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Bei dem in 15 oben dargestellten Beispiel wurde lediglich die Kontaktfläche des Zielpads vor den Bonden aufgeraut und anschließen gegebenenfalls mit geeigneten Parametern unter Druck und Temperatur mit dem Bonddraht zusammengefügt. Demgegenüber wurde bei dem in 15 unten dargestellten Beispiel auch die Oberfläche des Bonddrahtes vor den Bonden aufgeraut und anschließend mit dem Zielpad zusammengefügt, gegebenenfalls wieder mit geeignet gewählten Parametern unter Druck und Temperatur.
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Die beiden Verfahrensvarianten können selbstverständlich in ein und derselben Schaltungsanordnung einzeln oder auch kombiniert Anwendung finden.
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Bei beiden Verfahrensvarianten erhöht sich durch das aufgeraute Zielpad die Oberfläche und die Kontaktpartner verbinden sich dadurch leichter miteinander. Der notwendige Energieeintrag wird reduziert und die Belastung der Fügepartner während des Fügens sinkt. Somit kann eine bessere Einbindung des Bonddrahtes erzielt werden, was weiterhin zu einer längeren Lebensdauer führt.
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Für den Fall, dass beide Fügepartner vor dem Fügen aufgeraut werden, erhöht sich die Oberfläche weiter und die Kontaktpartner können zusätzlich verzahnen, was ein Verbinden weiter erleichtert. Der notwendige Energieeintrag wird reduziert und die Belastung der Fügepartner während des Fügens sinkt. Es kann ebenfalls eine bessere Einbindung des Bonddrahtes erzielt werden, was die Lebensdauer der geschaffenen Verbindung erhöht.
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Zusammenfassend erreicht man durch aufgeraute Oberflächen eines oder beider Fügepartner eine Verbindung unter weniger Energieeintrag. Durch ein besseres Verzahnen der Partner kann die Lebensdauer der Verbindung gesteigert werden.
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16 veranschaulicht einen weiteren Aspekt der Aufrauung, nämlich die Möglichkeit zur Vermeidung von nachteiligen Lunkern in Lötstellen.
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Beim herkömmlichen Löten können durch ein Ausgasen eines Flussmittels Gasblasen entstehen, die das Lot verdrängen und nachteilig große Lunker im erstarrten Lot zur Folge haben können. Dies ist im linken Teil der 16 veranschaulicht. Von oben nach unten ist in dieser Darstellung ein herkömmlicher Lötprozess dargestellt, bei welchem ein Bauelement 50m mit einer Kontaktfläche 52m auf einem Schaltungsträger 54m aufgelötet wird. Hierzu wird der Schaltungsträger 54m zunächst mit einer Lotschicht 56m versehen und sodann das Bauelement 50m unter Temperatureinwirkung auf die Lotschicht 56m aufgedrückt.
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Wie es in 16 links ganz unten dargestellt ist, bildet sich hierbei ein relativ großer Lunker 58m, der nachteiligerweise als eine thermische Isolierung wirkt und dadurch z. B. die Überhitzung des Bauelements 50m im Betrieb zur Folge haben kann.
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Demgegenüber zeigt der rechte Teil von 16 einen verbesserten Lötprozess, bei welchem ein Bauelement 10n-1 mit einem weiteren Bauelement (z. B. Leiterplatte) 10n-2 verlötet wird.
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In diesem Beispiel werden, wie in 16 rechts ganz oben dargestellt, zunächst die beiden Kontaktflächen 12n-1 und 12n-2 der beiden Fügepartner 10n-1 und 10n-2 aufgeraut. Sodann wird eine Lotschicht 56n an der Kontaktfläche 12n-2 aufgebracht. Schließlich werden die Bauelemente 10n-1 und 10n-2 zusammengefügt und bevorzugt unter Temperatureinwirkung verlötet. Die Ausbildung eines oder mehrerer großer Lunker in der Lotschicht 56n wird hierbei vorteilhaft vermieden.
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Wesentlich hierfür ist die Aufrauung wenigstens einer der zu fügenden Kontaktflächen 12n-1 und 12n-2. Dadurch bilden sich Kanäle, wodurch die sich bildenden Gase sich nach außen verflüchtigen können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch erhöhte Adhäsionskräfte zwischen dem Lot 56n und dem aufgerauten Material 12n-1 bzw. 12n-2 die entstehenden Gase nicht mehr in der Lage sind, das Lot 56n von einer Stelle vollständig zu verdrängen. Dadurch entstehen anstatt eines großen Lunkers allenfalls viele kleine Lunker, die jedoch thermisch gesehen viel unbedenklicher sind als ein großer Lunker.
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Durch das Aufrauen wenigstens einer Kontaktfläche können somit große Lunker vermieden werden. Dadurch wird vorteilhaft die Bildung von ”Hot Spots” und thermischen Überbelastungen, die einen Lunker als Ursache haben, vermindert oder sogar komplett beseitigt. Somit wird die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der betreffenden Lötstelle erhöht.
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17 veranschaulicht die Erhöhung der Erwärmungeffizienz bei einem Kühlkörper (einschließlich Wärmesenke) einer Schaltungsanordnung, unabhängig davon ob der betreffende Kühlkörper in der oben beschriebenen Weise (Aufrauung wenigstens einer Kontaktfläche) mit einem anderen Bauteil der Schaltungsanordnung verbunden ist oder nicht.
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In 17 links ist die Wärmeabgabe bei einem herkömmlichen Kühlkörper 60o veranschaulicht (die Pfeile in der Figur symbolisieren die Abgabe von Wärme an die Umgebung).
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Die Verwendung des Kühlkörpers 60o dient z. B. dazu, die bei einem mit Energie versorgten Gerät entstehende Verlustwärme abzuführen. Die Menge an Wärme, die hierbei an die Umgebung abgegeben werden kann, hängt stark von der Größe der durch den Kühlkörper 60o bereitgestellten Oberfläche ab. Bisher wurde zur Vergrößerung der Oberfläche eines zu kühlenden elektronischen Bauelements oder eines zu kühlenden Schaltungsträgers zumeist ein Kühlkörper der in 17 symbolisierten Art an die zu kühlende Fläche angebracht. Dies geschah unter anderem mittels Kleber oder Schrauben. Da aber die zu kühlende Oberfläche und der Kühlkörper nicht aus einem Stück sind, wird der Wärmetransport von der Oberfläche in den Kühlkörper behindert, zum Beispiel durch Luftspalte zwischen den beiden Teilen oder durch eine Zwischenschicht wie z. B. Kleberschicht.
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In 17 rechts ist veranschaulicht, wie durch das Aufrauen einer Oberfläche eines Kühlkörpers 10o dessen zur Abgabe von Wärme bereitgestellte Oberfläche vergrößert werden kann. Das Aufrauen der Oberfläche kann z. B. mittels einer Ionenstrahltechnik erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kommen mechanische Bearbeitungsschritte in Betracht, um die gewünschte Aufrauung zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aufrauung im Mikrostrukturbereich vorgesehen ist, also mit vergleichsweise kleinen resultierenden Strukturelementen an der betreffenden Oberfläche.
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Mit dem Kühlkörper 10o hat man bei gleichen Abmessungen eine im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlkörper (60o) eine viel größere Oberfläche, um Wärme von dem Material des Kühlkörpers (z. B. Metall) an die Umgebung abzugeben.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kühlkörper einen Abschnitt eines Gehäuses eines elektronischen Bauelements im engeren Sinne bildet oder der Kühlkörper einen Abschnitt eines Schaltungsträgers (z. B. Leiterplatte oder dergleichen) bildet. Durch das Aufrauen wenigstens eines Bereiches der Oberfläche des Kühlkörpers entsteht wie bei einem ”herkömmlichen separaten Kühlkörper” eine größere zur Wärmeabgabe zur Verfügung stehende Oberfläche. Der Vorteil dieser Weiterbildung gegenüber herkömmlichen Kühlkörpern besteht darin, dass bei dieser Technik ”Kühlrippen” und das darunterliegende Material aus einem Stück bestehen. Dadurch sind z. B. keine Luftspalte vorhanden, die den thermischen Transport behindern. Außerdem werden keine Befestigungsmittel bzw. -materialien (z. B. Schrauben, Kleber etc.) benötigt, um den Kühlkörper zu befestigen, da alles aus einem Stück besteht. Des Weiteren entfällt das ”Handling”, da die ”Kühlrippen” direkt auf dem Material der betreffenden Oberfläche durch die Aufrauung ausgebildet werden.
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Ein mögliches Anwendungsbeispiel ist, die Oberfläche eines Mikrocontrollers aufzurauen. In Kombination mit einem Lüfter kann damit die Temperatur des Mikrocontrollers im Betrieb beträchtlich abgesenkt werden.
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Ein weiters Anwendungsbeispiel ist, die Innen- und/oder Außenflächen eines Kühlers im Auto so zu behandeln. Dadurch wäre es möglich, im Wasserkreislauf die Temperatur schneller an den Kühler abzugeben. Der Kühler jedoch kann die Temperatur durch den Fahrtwind und die raue Oberfläche schneller an die Umgebung abgeben.
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In einer anderen Weiterbildung, die alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Aufrauung einer Kühloberfläche vorgesehen sein kann, erfolgt die Anbindung des Kühlkörpers an ein anderes Bauelement derselben Schaltungsanordnung mittels der weiter oben bereits beschriebenen Technik des Aufrauens und Pressfügens (vgl. z. B. die Ausführungsbeispiele gemäß der 1 bis 16).
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Letztere Weiterbildung als solche, also ein spezielles Verfahren zur galvanischen und/oder mechanischen Verbindung eines Kühlkörpers (einschließlich Wärmesenke) mit einem anderen Bauelement wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf 18 und 19 nochmals erläutert.
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18 veranschaulicht eine Zusammenfügung eines Kühlkörpers 10p-1 und eines weiteren Bauelements 10p-2, bei welchem es sich z. B. um einen Schaltungsträger (z. B. Leiterplatte, Schaltungsträgersubstrat etc.) handeln kann. Alternativ könnte das Bauelement 10p-2 auch von einem Substrat oder einem Gehäuse eines Bauelements im engeren Sinne, also z. B. eines elektronischen Bausteins (Transistor, Chip etc.) gebildet sein. In 18 unten ist der nach dem Zusammenfügen der Bauelemente 10p-1 und 10p-2 entstandene Verbund dargestellt. Bei dieser Verbindungsmethode können alle Besonderheiten und Weiterbildungen vorgesehen sein, die bereits bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert wurden.
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Mit den in 18 dargestellten Verfahren zur mechanischen Fixierung des Kühlkörpers 10p-1 an einem Substrat oder Bauelement 10p-2 ist es möglich, eine direkte Anbindung ohne Luftspalt bei gleichzeitiger Fixierung zu erreichen. Wie für einige der oben bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es auch für diesen Anwendungsfall oftmals vorteilhaft, wenn die beiden zu fügenden Kontaktflächen 12p-1 und 12p-2 durch ein technisches Verfahren im Mikrostrukturbereich aufgeraut werden. Bevorzugt werden die Fügepartner dann unter Temperatur und Druck miteinander verpresst.
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Durch dieses Verfahren entsteht eine mechanisch stabile, gegebenenfalls gasdichte und unlösbare Verbindung. Diese realisiert einen sehr guten Wärmeübergang zwischen den beteiligten Bauelementen 10p-1 und 10p-2. Eine zusätzliche mechanische Fixierung herkömmlicher Art, z. B. durch Schrauben etc. kann vorteilhaft entfallen. Es ergibt sich zusammenfassend eine einfach zu realisierende, insbesondere automatisierbare mechanische Fixierung von Kühlkörpern und Wärmesenken mit verbesserter Wärmeleitung.
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19 veranschaulicht schließlich noch zwei speziellere Anwendungsbeispiele der vorstehend erläuterten Ausführung.
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In 19 oben ist die thermische und mechanische Anbindung eines Kühlkörpers 10q-1 an der Unterseite einer herkömmlichen Leiterplatte 10q-2 gezeigt. Auf der dem Kühlkörper 10q-1 entgegengesetzten Flachseite der Leiterplatte 10q-2 sind elektronische Bauelemente der Schaltungsanordnung in an sich bekannter Weise kontaktiert.
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In 19 unten ist eine Ausführung dargestellt, bei welcher ein Kühlkörper 10r-1 auf die Oberseite eines Gehäuses eines herkömmlichen elektronischen Bauelements 10r-2 aufgesetzt und verpresst ist.
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Für alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ergänzend anzumerken, dass ein Aneinanderfügen von zwei Kontaktflächen, von denen wenigsten eine aufgeraut ist, direkt oder indirekt (z. B. unter Zwischenfügung von Lot, Kleber (insbesondere elektrisch und/oder thermisch leitfähig), etc.) erfolgen kann.
