DE102007037538A1 - Baugruppe sowie Herstellung einer Baugruppe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe (1) mit einem Substrat (5) und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel (8), insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil (3). Es ist vorgesehen, dass das Sintermittel (8) in einer das Bauteil (3) zumindest bereichsweise aufnehmenden Vertiefung (7) des Substrats (5) angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil. Es ist vorgesehen, dass das Sintermittel in eine das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmende Vertiefung des Substrats eingebracht wird.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil.
- Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil.
- Stand der Technik
- Aus dem Stand der Technik sind Baugruppen sowie Verfahren zur Herstellung von Baugruppen der eingangs genannten Art bekannt. Bei der Herstellung wird das Sintermittel zunächst auf das ebene Substrat aufgebracht. Anschließend wird das Bauteil auf das Sintermittel aufgebracht beziehungsweise in das Sintermittel eingedrückt, wobei aufgrund mangelnder adhäsiver Eigenschaften eine ausreichende Vorfixierung des Bauteils nicht gewährleistet ist. Der Sinterprozess selbst erfordert eine Druckbeaufschlagung, um einen ausreichenden Kontakt der in dem Sintermittel enthaltenen Kolloide untereinander sowie zu dem Substrat und dem Bauteil zu gewährleisten. Der Druck wird dabei über einen weichen, mit bauteilspezifischen Einprägungen versehenen Silikonstempel realisiert. Durch den Stempel wird die Baugruppe. bestehend aus dem Substrat, dem Sintermittel und dem Bauteil für den Sinterprozess zueinander ausgerichtet und fixiert. Die Einprägung des Stempels erlaubt dabei eine isostatische/quasi-isostatische Druckbeaufschlagung des Bauteils. Aufgrund der schlechten adhäsiven Eigenschaften der Sinterpaste kann es jedoch geschehen, dass das Bauteil bereits vor oder beim Einleiten der Druckkraft aus seiner vorgesehenen Position verrutscht und/oder dass ein Teil des Sintermittels aus der zu fügenden Stelle herausgequetscht wird und an dem Stempel haftet, was zu einem erhöhten Ausschuss und einer Verschleppung von Sintermittel an dem Stempel führt.
- Offenbarung der Erfindung
- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Sintermittel in einer das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmenden Vertiefung des Substrats angeordnet ist. Es ist also vorgesehen, dass das Substrat eine Vertiefung aufweist, die das Bauteil zumindest bereichsweise aufnimmt, wobei in der Vertiefung das Sintermittel für den Sinter- beziehungsweise Befestigungsvorgang in der Vertiefung angeordnet ist. Da sich das Bauteil nunmehr in der Vertiefung des Substrats befindet, ist es möglich das Bauteil auf dem Substrat zu positionieren, sodass dieses vor oder beim Sintervorgang nicht seine vorgesehene Position verlässt. Weiterhin wird durch die Ausbildung der Vertiefung in dem Substrat verhindert, dass das darin eingebrachte Sintermittel beim Einleiten der Druckkraft aus der zu fügenden Stelle herausgequetscht wird und/oder an dem die Druckkraft aufbringenden Stempel haftet.
- Besonders bevorzugt weist dazu die Vertiefung einen Umriss auf, der im Wesentlichen der Kontur des Bauteils entspricht. Vorteilhafterweise weist die Vertiefung Bereiche (Auffangräume) auf, in die überschüssiges Sintermittel ausweichen kann, wenn die Druckkraft eingeleitet wird. Zum Aufbringen der Druckkraft wird zweckmäßigerweise ein Stempel mit einer ebenen Stempelfläche verwendet, wobei die Stempelfläche bevorzugt elastisch nachgibt, sodass eine gleichmäßige (isostatische) Druckverteilung gewährleistet ist. Die Positionierung und Ausrichtung des Bauteils wird dabei durch die Vertiefung gewährleistet.
- Vorteilhafterweise ist das Sintermittel eine Silber-Sinterpaste, die zweckmäßigerweise aus chemisch stabilisierten Silber-Kolloiden besteht. Alternativ ist das Sintermittel ein Sinterfeststoff. Bei dem Fügeprozess beziehungsweise Sinterprozess werden die stabilisierenden Bestandteile der Paste ausgebrannt, sodass die Silber-Kolloide untereinander und mit dem Material des Bauteils und des Substrats in direkten Kontakt kommen. Durch festkörperdiffusive Vorgänge bildet sich bereits bei Temperaturen um 250°C eine hochtemperaturstabile Verbindung aus, die bezüglich ihrer Wärmeleitfähigkeit, Stabilität, Plastizität und Versprödung wesentlich günstigere Eigenschaften als zum Beispiel Zinn-Silber-Lotverbindungen aufweist. Die Silber-Sinterverbindung kann dabei bei wesentlich geringeren Temperaturen als ihr Schmelzpunkt verarbeitet werden.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Bauteil ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leitungshalbleiter, wie zum Beispiel ein MOSFET.
- Weiterhin ist vorgesehen, dass das Substrat ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte, insbesondere ein DBC-Substrat (DBC = Direct Bonded Copper = direkt beschichtetes Kupfer), ist.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Sintermittel in eine das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmende Vertiefung des Substrats eingebracht. Es ist also vorgesehen, dass zunächst in die Vertiefung das Sintermittel eingebracht wird und anschließend das Bauteil, wobei das Bauteil auf das Sintermittel gelegt beziehungsweise eingedrückt wird. Natürlich wäre es auch denkbar, dass das Bauteil das Sintermittel mit sich führt.
- Zum Aufbringen eines Sinter-Drucks wird vorteilhafterweise ein Stempel mit einer ebenen Stempelfläche verwendet, wobei die Stempelfläche elastisch verformbar ausgebildet ist, sodass beim Aufbringen des Sinterdrucks das Bauteil zumindest bereichsweise in den Stempel eingedrückt werden kann. Dadurch wird zum Einen gewährleistet, dass eine gleichmäßige Druckverteilung auf das Bauteil aufgebracht und ein Verschieben des Bauteils verhindert wird. Vorteilhafterweise wird hierzu ein Silikonstempel verwendet.
- Wobei vorteilhafterweise die Vertiefung derart gefertigt wird, dass ihr Umriss im Wesentlichen der Kontur des Bauteils entspricht, sodass das Bauteil nicht aus der Vertiefung heraus verschoben werden kann und durch den Umriss der Vertiefung auf dem beziehungsweise an dem Substrat eindeutig ausgerichtet beziehungsweise positioniert werden kann.
- Vorteilhafterweise wird als Sintermittel eine Silber-Sinterpaste verwendet, die zweckmäßigerweise Silber-Kolloide aufweist.
- Weiter ist vorgesehen, dass als Bauteil ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leistungshalbleiter, wie zum Beispiel ein MOSFET oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor = Bipolartransistor mit isolierender Gate-Elektrode), verwendet wird.
- Schließlich ist vorgesehen, dass als Substrat ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte verwendet wird. Hierbei wird also das Bauteil in einer Vertiefung des Stanzgitters oder der Leiterplatte angeordnet, in der zuvor das Sintermittel beziehungsweise die bevorzugte Silber-Sinterpaste eingebracht wurde. Beim Beaufschlagen des Bauteils mit dem Stempel, der vorteilhafterweise als Silikonstempel ausgebildet ist, kann die Silber-Sinterpaste beziehungsweise das Sintermittel nicht undefiniert auf das Substrat austreten, sodass zum Beispiel kein Sintermittel an dem Stempel hängen bleibt.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Baugruppe, -
2 ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Verfahrens zur Herstellung der Baugruppe, -
3 ein Substrat der Baugruppe und -
4 das mit einem Bauteil bestückte Substrat der Baugruppe. - Ausführungsform(en) der Erfindung
- Die
1 zeigt in einem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel eine vorteilhafte Baugruppe1 . Die Baugruppe1 umfasst ein als Leistungshalbleiter2 ausgebildetes Bauteil3 sowie ein als Leiterplatte4 (DBC = Direct Bonded Copper) ausgebildetes Substrat5 . In der Leistungselektronik steigen die Anforderungen an die thermischen, thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften der Aufbau- und Verbindungstechnik. Besonders die Anbindung eines Leistungshalbleiters (2 ) an ein Substrat (5 ) unterliegt heutzutage dauerhaften Temperaturbelastungen von bis zu 175°C. Heutzutage werden die meisten dieser Verbindungen über eine Lotverbindung aus einer Zinn-Silber-Legierung realisiert. Jedoch zeigen derartige Verbindungen bei höheren Temperaturen schwindende mechanische Eigenschaften, die in Wechselwirkung mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner (Substrat5 und Bauteil3 ) zu einem Kriechen des Lots und schließlich zu einer Rissbildung in der Lotschicht führen können. Darüber hinaus kann es, bedingt durch die verschiedenen Legierungsbestandteile, zur Ausbildung von spröden Phasen kommen, die diesen Prozess weiter beschleunigen. Zwar ist es denkbar, höher schmelzende Lotlegierungen zu verwenden, jedoch resultiert darauf eine gleichermaßen höhere Verarbeitungs- beziehungsweise Verbindungstemperatur. Jedoch können derartige zum Verbinden notwendige Temperaturen zur Zerstörung der zu verbindenden Bauteile führen. - Bei den sogenannten Silber-Sinterverbindungen
- (Niedertemperaturverbindungstechnik), die bei wesentlich geringeren Temperaturen im Vergleich zu ihrem Schmelzpunkt erzeugt werden können, wird anstelle des oben genannten Lots ein pastenförmiges Sintermittel eingesetzt, das aus chemisch stabilisierten Ag-Kolloiden besteht.
- Die vorteilhafte Baugruppe
1 erlaubt das sichere Erstellen einer Silber-Sinterverbindung, die ein einfaches Positionieren des Bauteils3 auf dem Substrat5 erlaubt und darüber hinaus eine Verschleppung von Sintermittel verhindert. - Das Substrat
5 weist dazu an einer Oberfläche6 eine Vertiefung7 auf, in die das Bauteil3 beziehungsweise der Leistungshalbleiter2 einbringbar ist. In der Vertiefung7 ist ein Sintermittel8 , das als Silber-Sinterpaste9 ausgebildet ist, angeordnet, sodass das Bauteil3 bei der Montage auf die Silber-Sinterpaste9 in der Vertiefung7 aufgebracht wird. - Die
3 zeigt das Substrat5 in einer Draufsicht auf die Oberfläche6 . Die in dem Substrat5 ausgebildete Vertiefung7 weist dabei einen im Wesentlichen quadratischen Umriss10 auf, der vorteilhafterweise im Wesentlichen der Kontur des Bauteils3 /Leistungshalbleiters2 entspricht, sodass das Bauteil3 durch Einbringen in die Vertiefung7 auf dem Substrat5 positioniert und ausgerichtet wird/ist, wie in der4 dargestellt. - Die
4 zeigt das Substrat5 aus der3 mit dem in die Vertiefung7 eingebrachten Leistungshalbleiter2 beziehungsweise Bauteil3 . Hierbei ist die Ausrichtung des Bauteils3 auf dem Substrat5 mittels der Vertiefung7 zu erkennen. - Bei der Herstellung beziehungsweise Montage der Baugruppe
1 wird, wie in der2 dargestellt, das Bauteil3 durch einen Stempel11 mit einer Druckkraft in Richtung des Pfeils12 beaufschlagt. Der Stempel11 weist eine im unbelasteten Zustand ebene Stempelfläche13 auf, die elastisch verformbar ist, sodass beim Beaufschlagen des Bauteils3 dieses, wie in der2 dargestellt, bereichsweise in den Stempel11 eingedrückt wird. Durch die elastische Ausbildung der ebenen Stempelfläche13 ist eine quasi-isostatische Druckverteilung auf das Bauteil3 gewährleistet. Der Stempel11 drückt dabei die Baugruppe1 zur Erzeugung der für den Sintervorgang notwendigen Druckkraft gegen eine Gegenplatte14 . - Die Vertiefung
7 ist vorteilhafterweise derart tief ausgebildet, dass sie eine gewünschte Menge an Sintermittel8 /Silber-Sinterpaste9 und das Bauteil3 zumindest bereichsweise aufnehmen kann. Dabei kann für das Substrat5 jeder gängige Substrattyp in Frage kommen, wobei eine oberseitige Metallisierung15 genügend dick sein muss, um bei der gewünschten Menge der Silber-Sinterpaste9 eine ausreichende Stromtragfähigkeit realisieren zu können. Die in den1 und2 im Schnitt dargestellte Leiterplatte4 weist neben der Metallisierung15 eine weitere Metallisierung16 auf, die auf der gegenüberliegenden Seite eines die Metallisierungen15 und16 tragenden Substratträgers17 angeordnet ist. Die Metallisierungen15 ,16 sind hierbei als Leiterbahnen ausgebildet. - Durch die vorteilhafte Vertiefung
7 behält das Bauteil3 auch beim Sintervorgang, wenn das Bauteil3 mit der Sinter-Druckkraft beaufschlagt wird, seine Position bei. Darüber hinaus wird verhindert, dass die Silber-Sinterpaste9 unkontrolliert auf das Substrat5 austritt. Durch die Vertiefung7 wird die Silber-Sinterpaste9 in ihrer Position gehalten. Die Vertiefung7 führt dazu, dass das Bauteil3 trotz schlechter adhäsiver Eigenschaft der Silber-Sinterpaste9 nur noch in dem durch den Umriss10 der Vertiefung7 definierten Rahmen beweglich ist. Dadurch ist das Bauteil3 auch unter Prozessdruck optimal positioniert. Im Rahmen eines Schaltungslayouts kann daher auf ausgedehnte „Tabuzonen" verzichtet werden und eine Flächenverkleinerung des gesamten Substrats5 realisiert werden. Darüber hinaus kann auf aufwendige Fixierungen des Bauteils3 mittels eines schwer positionierbaren, eine dem Bauteil3 entsprechende Einprägung aufweisenden Stempels verzichtet werden. Der in der2 schematisch dargestellte Stempel11 ist vorteilhafterweise als Silikonstempel ausgebildet, um die elastische Nachgiebigkeit der ebenen Stempelfläche13 zu gewährleisten. Durch die vorgeschlagene Baugruppe1 sowie das vorteilhafte Verfahren wird die Prozesssicherheit bei der Herstellung deutlich erhöht und somit die Serienprozesstauglichkeit gewährleistet. - Der im Wesentlichen quadratisch ausgebildete Umriss
10 der Vertiefung7 weist, wie in den3 und4 dargestellt, an seinen Ecken18 Ausbuchtungen19 , die als Auffangräume20 dienen, auf. Je nach Herstellungsverfahren können die Ausbuchtungen19 systemtechnisch bedingt sein. Vorteilhafterweise werden diese jedoch auch dann eingebracht, wenn dies nicht der Fall ist, um ein Einbringen des Bauteils3 in das Substrat5 zum Einen zu erleichtern, und zum Anderen einen Ausweichraum für überschüssiges Sintermittel8 zu bieten. Hierdurch kann überschüssiges Sintermittel8 beziehungsweise Silber-Sinterpaste9 in die Auffangräume20 entweichen, ohne dass es/sie auf die Oberfläche6 des Substrats5 gelangt. Anstelle der Leiterplatte4 kann als Substrat5 natürlich auch jedes andere Substrat, wie zum Beispiel ein Stanzgitter, verwendet werden.
Claims (11)
- Baugruppe mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel (
8 ) in einer das Bauteil (3 ) zumindest bereichsweise aufnehmenden Vertiefung (7 ) des Substrats (5 ) angeordnet ist. - Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (
7 ) einen Umriss (10 ) aufweist, der im Wesentlichen der Kontur des Bauteils (3 ) entspricht. - Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel (
8 ) eine Silber-Sinterpaste (9 ) oder ein Sinterfeststoff ist. - Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (
3 ) ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leistungshalbleiter (2 ) ist. - Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
5 ) ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte (4 ) ist. - Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Substrat und mindestens einem durch Sintern mit einem Sintermittel, insbesondere Sinterpaste, daran befestigten Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel in eine das Bauteil zumindest bereichsweise aufnehmende Vertiefung des Substrats eingebracht wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen eines Sinter-Drucks ein Silikonstempel mit einer ebenen Stempelfläche verwendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung derart gefertigt wird, dass ihr Umriss im Wesentlichen der Kontur des Bauteils entspricht.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermittel eine Silber-Sinterpaste verwendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil ein elektrisches/elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leistungshalbleiter verwendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat ein Stanzgitter oder eine Leiterplatte, insbesondere ein DBC-Substrat, verwendet wird.
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