DE102007025958B4

DE102007025958B4 - Baugruppe mit geklebtem Leistungsbaustein und Verfahren zur Herstellung einer solchen Baugruppe

Info

Publication number: DE102007025958B4
Application number: DE102007025958.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Bachmann; Markus Gruber; Andreas Hammermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: DE102007025958A1; WO2008148741A1

Abstract

Baugruppe (2), insbesondere für einen Regler einer Lichtmaschine, mit einem im Betrieb Wärme erzeugenden elektronischen Bauelement (4), einem Kühlkörper (6), sowie einem zwischen dem elektronischen Bauelement (4) und dem Kühlkörper (6) angeordneten, durch einen Klebstoff (10) mit dem Kühlkörper (6) verbundenen Leistungsbaustein (8) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsbaustein (8) auf der zum Kühlkörper (6) benachbarten Seite mindestens teilweise mit einer Schicht (12) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung überzogen ist, deren Oberfläche im Kontakt mit dem Klebstoff (10) steht, und dass die Schicht (12) aus einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht.

Description

I
Die Erfindung geht von einer Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Stand der Technik
Baugruppen der eingangs genannten Art werden unter anderem in Lichtmaschinenreglern von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der zwischen dem elektronischen Bauelement, bei Lichtmaschinenreglern einer integrierten Schaltung (IC), und dem Kühlkörper angeordnete Leistungsbaustein dient dort dazu, die im Betrieb von der integrierten Schaltung erzeugte Wärme möglichst schnell und unter Wärmespreizung in den Kühlkörper abzuführen. Der Leistungsbaustein besteht daher vorzugsweise aus Kupfer, das eine exzellente Wärmeleitfähigkeit besitzt. Üblicherweise wird das elektronische Bauelement entweder durch Kleben oder Löten an der benachbarten Oberseite des Leitungsbausteins befestigt, während die Unterseite des Leistungsbausteins durch Kleben am Kühlkörper fixiert wird.
Jedoch bereitet Kupfer beim Kleben Schwierigkeiten und zeigt insbesondere unter feuchten Umgebungsbedingungen an der Grenzfläche zum Klebstoff eine mit der Zeit deutlich abnehmende Haftfestigkeit. Beispielsweise führt der zur Untersuchung der Scherfestigkeit einer Klebeverbindung nach einer bestimmten Verweilzeit unter vorgegebenen Druck- und Feuchtigkeitsbedingungen dienende sogenannte Pressure Cooker Test im Falle einer Klebeverbindung zwischen einem aus Kupfer bestehenden Leistungsbaustein und einem aus Aluminium bestehenden Kühlkörper häufig bereits nach wenigen Stunden zu einem vollständigen Ablösen des Klebstoffs vom Leistungsbaustein. Da dies im Betrieb zu einem Ausfall der Lichtmaschine und einer Störung der Stromversorgung des Kraftfahrzeugs führen würde, wird eine Verlängerung der Lebensdauer der Klebeverbindung angestrebt.
In der DE 197 22 355 A1 der Anmelderin ist bereits eine Baugruppe der eingangs genannten Art beschrieben, bei der sowohl zur Fixierung des elektronischen Bauelements am Leistungsbaustein als auch zur Fixierung des Leistungsbausteins an dem aus Eisen oder Aluminium bestehenden Kühlkörper ein wärmeleitender Klebstoff verwendet wird. Um ein Eindringen von Feuchtigkeit zwischen das Kupfer des Leitungsbausteins und den Klebstoff zu verhindern, wird vorgeschlagen, das elektronische Bauelement bzw. den Leistungsbaustein nach einer Vorhärtung des Klebstoffs mit einem Gel zu umhüllen und nach einem Vergelungsprozess das Gel und den Klebstoff zusammen in einem Ofenprozess zu härten. Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwändig.
Weiter ist es auch bekannt, die zum elektronischen Bauelement benachbarte Oberseite des Leistungsbausteins zum Festkleben oder Löten des elektronischen Bauelements und zur Drahtbondung mit Nickel zu überziehen. Jedoch erfordert eine Vernickelung den Einsatz galvanischer Bäder und nachgeschalteter Reinigungsprozesse, wodurch relativ hohe Kosten verursacht werden.
Aus der Offenlegungsschrift US 2006/0065387 A1 ist eine elektronische Baugruppe bekannt, die wenigstens ein wärmeerzeugendes Bauteil sowie ein wärmeableitendes Bauteil umfasst, wobei zumindest eines der Bauteile eine vorsätzlich modifizierte Oberfläche aufweist. Außerdem ist aus der Offenlegungsschrift DE 197 23 590 A1 ein Kühlkörper bekannt, der eine Aluminiumlegierungsschicht auf zumindest einer Seite eines metallplattenförmigen Körpers aufweist, wobei Kühlrippen auf der Aluminiumlegierungsschicht gebildet sind.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung dahingehend zu verbessern, dass sich die Klebeverbindung zwischen dem Leistungsbaustein und dem Kühlkörper ohne eine Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit des Leistungsbausteins leichter herstellen lässt und selbst unter feuchten Bedingungen eine ausgezeichnete Haftfestigkeit und eine lange Lebensdauer besitzt.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Leistungsbaustein auf der zum Kühlkörper benachbarten Seite mindestens teilweise mit einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bedeckt bzw. überzogen ist, deren Oberfläche im Kontakt mit dem Klebstoff steht.
In Versuchen hat sich gezeigt, dass durch eine solche Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung die Herstellung der Klebeverbindung erleichtert und deren Haftfestigkeit auch unter feuchten Umgebungsbedingungen ohne eine Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit am Übergang vom Leistungsbaustein zum Kühlkörper über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten werden kann.
Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, eine solche Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ohne das Erfordernis eines galvanischen Verfahrens durch Walzplattieren auf ein zur Fertigung von Leistungsbausteinen dienendes Halbzeug aufzubringen. Dadurch können die nachfolgenden Fertigungsschritte im Wesentlichen unverändert bleiben.
Um ein Verschmieren der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bei den nachfolgenden Fertigungsschritten, zum Beispiel beim Ausstanzen der Leistungsbausteine, zu verhindern, wird die Schicht vorzugsweise nur auf diejenigen Teile des Halbzeugs aufgebracht, wo sich auf den späteren Leistungsbausteinen die Klebeverbindungen, Befestigungspunkte für Bonddrähte und/oder andere Funktionsbereiche befinden sollen, während andere Bereiche der Leistungsbausteine, wo diese geführt oder fixiert werden sollen, nicht mit der Schicht überzogen werden.
Erfindungsgemäß besteht die Schicht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, die sich beispielsweise durch Walzplattieren in einer Schichtdicke von 5 bis 100 µm und vorzugsweise von 10 bis 50 µm auf die für einen anschließenden Klebstoffauftrag vorgesehenen Oberflächenbereiche des Halbzeugs aufbringen lässt.
Wenn das Halbzeug gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Walzplattieren geglüht wird, bildet sich im Bereich der Grenzfläche zwischen der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und dem Kupfer des Halbzeugs eine Diffusionsschicht aus, die zu einer Stabilisierung der Schicht auf dem Kupfer führt. Das Glühen wird zweckmäßig solange fortgesetzt, bis die Diffusionsschicht eine Schichtdicke von 0,2 bis 10 µm und vorzugsweise von 0,5 bis 8 µm erreicht, was sich in zahlreichen Grenzflächenuntersuchungen als ausreichend für eine gute Stabilisierung der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf der Oberfläche des Leistungsbausteins aus Kupfer erwiesen hat.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung nicht nur auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Leistungsbausteins aufzubringen, sondern auch auf der Seite, die zu dem elektronischen Bauelement benachbart ist, zum Beispiel als Ersatz für eine bisher vorgesehene Nickelschicht. Im Unterschied zu einer Nickelschicht kann die Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Walzplattieren und damit ohne die mit einem galvanischen Verfahren verbundenen Nachteile, wie das Erfordernis nachgeschalteter Reinigungsprozesse, die Kontrolle der Sauberkeit der Klebeflächen oder die Entsorgung der galvanischen Bäder aufgebracht werden. Zudem erlaubt es das Walzplattieren, das zur Fertigung des Leistungsbausteins dienende Halbzeug auf beiden Seiten gleichzeitig mit der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu versehen. Diese Schichten dienen dann als Klebstoffauftragsfläche zum Aufkleben auf den Kühlkörper bzw. zum Aufkleben des elektronischen Bauelements, wobei sie auf der Seite des elektronischen Bauelements darüber hinaus auch zur Drahtbondung dienen können, wenn das elektronische Bauelement bzw. andere Bauelemente durch Bonddrähte mit dem Leistungsbaustein verbunden werden. Die beidseitige Beschichtung des Leistungsbausteins mit demselben Material, d.h. dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung, verringert darüber hinaus das Risiko einer Bildung eines galvanischen Elements.
Figurenliste
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe;
2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Baugruppe;
3 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil des Halbzeugs bzw. eines Leistungsbausteins;
4 einen Anschliff eines Leistungsbausteins entsprechend der Schnittansicht aus 3;
5 eine Draufsicht auf ein walzplattiertes Halbzeug zur Herstellung des Leistungsbausteins.

Ausführungsformen der Erfindung
Die in den 1 und 2 dargestellten Baugruppen 2 für einen Regler einer Lichtmaschine bestehen im Wesentlichen aus einem integrierten Schaltkreis (IC) 4 zur Steuerung der Lichtmaschine, einem aus Aluminium bestehenden Kühlkörper 6 zum Abführen der im Betrieb vom IC 4 erzeugten Wärme, sowie einem zur Wärmespreizung und zur Beschleunigung der Wärmeabfuhr zwischen den IC 4 und den Kühlkörper 6 eingesetzten Leistungsbaustein 8 aus Kupfer. Der IC 4 ist auf die Oberseite des Leistungsbausteins 8 geklebt oder gelötet, während der Leistungsbaustein 8 mit seiner Unterseite auf den Kühlkörper 6 geklebt ist. Die Baugruppen 2 eignen sich jedoch nicht nur für Regler von Lichtmaschinen, sondern können auch an anderer Stelle eingesetzt werden.
Da sich Kupfer zum einen schlecht kleben lässt und zum anderen eine Klebeverbindung zwischen dem Leistungsbaustein 8 und dem Kühlkörper 6 mit üblicherweise als Serienklebstoff verwendeten Klebstoffen 10 auf Silikonbasis (z.B. Q1-9226 von Dow Corning oder Semicosil® 988 1K von Wacker Chemie) insbesondere unter feuchten Bedingungen wegen eines Versagens der Adhäsion der Klebstoffe 10 am Kupfer des Leistungsbausteins 8 häufig eine begrenzte Lebensdauer aufweist, ist der Leistungsbaustein 8 auf seiner dem Kühlkörper 6 zugewandten Unterseite zum Teil mit einer Beschichtung 12 aus AlSi1 versehen, deren Oberfläche an Stelle des Kupfers im Kontakt mit dem Klebstoff 10 steht.
Während die Oberseite des Leistungsbausteins 8 in 1 mit einer galvanisch aufgebrachten Nickelschicht 14 versehen ist, auf die der IC 4 mittels eines Leit-Klebstoffs 16 aufgeklebt ist, ist der in 2 dargestellte Leistungsbaustein 8 auch auf seiner Oberseite mit einer Beschichtung 18 aus AlSi1 versehen, die als Ersatz für die Nickelschicht 14 zum Festkleben des IC 4 auf dem Leistungsbaustein 8 und zur Befestigung eventueller Bonddrähte (nicht dargestellt) durch Drahtbonden dient.
Sowohl die auf der Unterseite des Leistungsbausteins 8 angeordnete AlSi1-Schicht 12 (1 und 2) als auch die auf der Oberseite des Leistungsbausteins 8 angeordnete AlSi1-Schicht 18 (2) wird mittels eines Walzplattierverfahrens mit einer Schichtdicke von 10 bis 50 µm auf ein aus Kupfer 22 bestehendes, zur Herstellung des Leistungsbausteins 8 dienendes Halbzeug 20 (5) aufgebracht, wobei die Beschichtung entweder nur auf einer Seite (1) oder gleichzeitig auf beiden Seiten (2) erfolgen kann.
Nach der Beschichtung wird das mit dem AlSi1 12 bzw. 12 und 18 beschichtete Kupfer-Halbzeug 20 geglüht, um die Schicht 12 bzw. die Schichten 12 und 18 aus AlSi1 auf dem Halbzeug 20 zu stabilisieren. Die Stabilisierung wird durch die Ausbildung einer in 3 und 4 am Beispiel der AlSi1-Schicht 12 dargestellten Diffusionszone 24 zwischen dem Kupfer 22 und dem AlSi1 12 an der Unterseite des Halbzeugs 20 bewirkt, die nach dem Glühen eine Dicke D von mehr als 0,5 µm und vorzugsweise von etwa 3 µm aufweisen sollte.
Um beim anschließenden Ausstanzen der Leistungsbausteine 8 aus dem beschichteten Kupfer-Halbzeug 20 ein Verschmieren der zuvor durch das Walzplattieren aufgebrachten AlSi1-Schicht 12 bzw. der AlSi1-Schichten 12 und 18 zu vermeiden, wird das Halbzeug 20 auf seiner Ober- bzw. Unterseite zweckmäßig nur in einem als Kontaktfläche für den Klebstoff 10 bzw. 16 bzw. als Kontaktfläche für eventuelle Bonddrähte dienenden Funktionsbereich mit AlSi1 beschichtet, wie in 5 am Beispiel eines nach der Beschichtung bereits mit ICs 4 bestückten Abschnitts eines schmalen Halbzeugs 20 dargestellt. Bei diesem Halbzeug 20 wurde beim Walzplattieren der Oberseite nur ein Bereich unterhalb der ICs 4 und um diese herum mit dem AlSi1 18 beschichtet, während zwei unterbrochene, zur Herstellung von Montageführungen dienende oder Fixierpunkte enthaltende Bereiche entlang der beiden entgegengesetzten Längsseitenränder des Halbzeugs 20 aus unbeschichtetem Kupfer 22 bestehen.
Die aus einem solchen Halbzeug 20 mit einer AlSi1-Schicht 12 bzw. mit AlSi1-Schichten 12 und 18 hergestellten Leistungsbausteine 8 ließen sich bei Verwendung üblicher Serienklebstoff 10 auf Silikonbasis nicht nur leichter als Leistungsbausteine 8 mit Kupferoberflächen auf die aus Aluminium bestehenden Kühlkörper 6 aufkleben, sondern zeigten nach dem Aufkleben und nach einer Durchführung des Pressure Cooker Tests auch eine wesentliche höhere Festigkeit gegen Abscheren. Infolge der Fertigung des Leistungsbausteins 8 aus Kupfer blieb weiterhin eine gute Wärmeabfuhr und Wärmespreizung gewährleistet, die durch die dünnen Schichten 12, 18 aus AlSi1 keinerlei Beeinträchtigung erfuhr.

Claims

Baugruppe (2), insbesondere für einen Regler einer Lichtmaschine, mit einem im Betrieb Wärme erzeugenden elektronischen Bauelement (4), einem Kühlkörper (6), sowie einem zwischen dem elektronischen Bauelement (4) und dem Kühlkörper (6) angeordneten, durch einen Klebstoff (10) mit dem Kühlkörper (6) verbundenen Leistungsbaustein (8) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsbaustein (8) auf der zum Kühlkörper (6) benachbarten Seite mindestens teilweise mit einer Schicht (12) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung überzogen ist, deren Oberfläche im Kontakt mit dem Klebstoff (10) steht, und dass die Schicht (12) aus einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Schichtdicke von 5 bis 100 µm und vorzugsweise von 10 bis 50 µm aufweist.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Kupfer (22) oder der Kupferlegierung des Leistungsbausteins (8) und der Schicht (12) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildete Diffusionszone (24).
Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionszone (24) eine Dicke von 0,2 bis 10 µm und vorzugsweise von 0,5 bis 8 µm aufweist.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (10) ein Silikonklebstoff ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsbaustein (8) durch einen Klebstoff (16) oder durch ein Lot mit dem elektronischen Bauelement (4) verbunden ist und auf der zum elektronischen Bauelement (4) benachbarten Seite mindestens teilweise mit einer Schicht (14) aus Nickel oder einer Nickellegierung überzogen ist, deren Oberfläche im Kontakt mit dem Klebstoff (16) oder dem Lot steht.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsbaustein (8) durch einen Klebstoff (16) mit dem elektronischen Bauelement (4) verbunden ist und auf der zum elektronischen Bauelement (4) benachbarten Seite mindestens teilweise mit einer Schicht (18) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung überzogen ist, deren Oberfläche im Kontakt mit dem Klebstoff (16) steht.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12, 18) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung die zum Kühlkörper (8) und/oder die zum elektronischen Bauelement (4) benachbarte Seite des Leistungsbausteins (8) nur teilweise bedeckt.
Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12, 18) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Walzplattieren auf ein zur Fertigung des Leistungsbausteins (8) dienendes Halbzeug (20) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12, 18) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Glühen stabilisiert wird.