DE102008040488A1 - Elektronische Baueinheit und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektronische Baueinheit, mit mindestens einem, Bauelemente tragenden Leitersubstrat (2), das mit einem mechanischen Schutz (13) umgeben ist. Es ist vorgesehen, dass das Leitersubstrat (2) von einer Moldmasse (12) als mechanischem Schutz (13) umgeben ist und mittels mindestens eines eigensteifen, federelastischen, elektrischen Verbindungsleiters (7) kontaktiert ist, wobei der Verbindungsleiter (7) zumindest bereichsweise mit in die Moldmasse (12) eingebettet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein hierauf gerichtetes Verfahren.
Description
- Die Erfindung betrifft eine elektronische Baueinheit, mit mindestens einem, Bauelemente tragende Leitersubstrat, das mit einem mechanischen Schutz umgeben ist. Die Erfindung betrifft ferner ein hierauf gerichtetes Herstellungsverfahren.
- Stand der Technik
- Elektronische Baueinheiten werden zu ihrem Schutz in Gehäuse eingehaust. Insbesondere in der Hybridtechnik werden über aufwendige Montageprozesse bestückte und gebondete Substrate in vorgefertigte Gehäuse eingebaut, wofür in einer typischen Schrittfolge ein Kleben des Substrats auf eine Grundplatte, eine Montage des Gehäuses, ein Bonden des Substrats, ein Vergelen des Substrats und eine Deckelmontage beziehungsweise Gehäusekomplettmontage erfolgen. Daran ist zum Einen der relativ hohe Fertigungsaufwand und die hohe Fertigungstiefe nachteilig, die jeweils mit erheblichen Kosten verbunden sind. Zum Anderen sind die durch die gegebenen Gehäuseformen erreichbaren Abmessungen ungünstig groß.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Baueinheit bereitzustellen, die auf kleinem Raum eine möglichst Schaltungsdichte in einem schützenden Gehäuse bereitstellt, und die einfach und kostengünstig herstellbar ist. Insbesondere soll hierbei auch eine gute Entwärmung der Schaltungsbauteile erzielt werden.
- Offenbarung der Erfindung
- Hierzu wird eine elektronische Baueinheit vorgeschlagen, mit mindestens einem, Bauelemente tragenden Leitersubstrat, das mit einem mechanischen Schutz umgeben ist. Es ist vorgesehen, dass das Leitersubstrat von einer Moldmasse als mechanischen Schutz umgeben ist und mittels mindestens eines eigensteifen, federelastischen, elektrischen Verbindungsleiters kontaktiert ist, wobei der Verbindungsleiter zumindest bereichsweise mit in die Moldmasse eingebettet ist. Durch die Einbettung des Verbindungsleiters (beispielsweise eines Stanzgitters) in die Moldmasse wird dessen positionsgerechte, unverrückbare Anordnung erzielt. Das Leitersubstrat selbst wird von der Moldmasse als mechanischen Schutz umgeben, so dass ein separates Gehäuse, wie aus dem Stand der Technik bekannt, vollständig entfällt.
- In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Außenseite des Leitersubstrats zumindest bereichsweise aus der Moldmasse zur Wärmeableitung herausragt. Durch das Herausragen der Außenseite aus der Moldmasse ist in sehr einfacher Weise eine Entwärmung der Schaltungsanordnung möglich. Die Wärmeableitung geschieht hierbei über die Luft, die die elektronische Baueinheit im Bereich der herausragenden Außenseite umgibt, und durch das Leitersubstrat hindurch. Spezielle Gehäuse, wie im Stand der Technik zur Wärmeableitung bekannt, können entfallen.
- In einer anderen Ausführungsform ist eine Außenseite oder Seite des Leitersubstrats auf einem Grundkörper, insbesondere einer Grundplatte angeordnet, die zumindest bereichsweise aus der Moldmasse zur Wärmeableitung herausragt. Durch die Anordnung auf einer Grundplatte oder einem Grundkörper ist ein großflächiger Wärmeaustrag in/über diesen Grundkörper möglich, insbesondere dann, wenn dieser aus sehr gut wärmeleitendem Material, beispielsweise einem Metall, besteht. Wird dieser aus der Moldmasse herausragend angeordnet, lässt sich eine besonders gute Entwärmung der elektronischen Baueinheit erzielen, ohne dass hierfür ein besonderer Fertigungsaufwand erforderlich wäre.
- In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei Leitersubstrate mit Abstand zueinander angeordnet, wobei der Verbindungsleiter zwischen den Leitersubstraten angeordnet und mit beiden Leitersubstraten elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich eine besonders hohe Packungsdichte der elektronischen Baueinheit erreichen, wobei durch die Anordnung des Verbindungsleiters zwischen den Leitersubstraten und die gleichzeitige Kontaktierung beider Leitersubstrate eine sehr einfache, besonders kostengünstige Mehrfachkontaktierung gewährleistet ist. Bevorzugt werden die beiden Leitersubstrate parallel oder in etwa parallel zueinander angeordnet, wobei der Verbindungsleiter in etwa mittig beabstandet zwischen Leitersubstraten angeordnet ist. Trotzdem ist durch diese Anordnung eine sehr gute Entwärmung möglich.
- Bevorzugt ragt mindestens ein Abschnitt des Verbindungsleiters aus der Moldmasse als elektrischer Anschluss heraus. Auf diese Weise lässt sich nicht nur eine sehr einfache Mehrfachkontaktierung erzielen, sondern gleichzeitig die Funktion eines Steckverbinders für die elektronische Baueinheit integrieren. Zusätzlicher Komponenten, beispielsweise Messerleisten, bedarf es hierzu nicht.
- In einer weiteren Ausführungsform ist das Leitersubstrat eine Leiterplatte. Leiterplatten sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Diese können in besonders einfacher Weise bestückt und in die Baueinheit integriert werden.
- In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Verbindungsleiter mit Vorspannung an dem Leitersubstrat anliegt. Der Verbindungsleiter wird zum Zwecke der Kontaktierung mit Vorspannung an das Leitersubstrat angelegt, so dass eine Kontaktierung über die elastische Ausführung des Verbindungsleiters mit dem Leitersubstrat erfolgen kann. Die Vorspannung ergibt sich in sehr einfacher Weise durch die räumliche Anordnung von Leitersubstrat und Verbindungsleiter relativ zueinander.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verbindungsleiter mit dem Leitersubstrat über eine Sinterverbindung versintert und damit elektrisch sowie mechanisch verbunden. Insbesondere in Hinblick auf Zuverlässigkeit und Einsatz unter extremen Bedingungen ist die Sinterverbindung, die über eine Interdiffusion von Sintermaterialien zustande kommt. Für die mechanische Verankerung und elektrische Kontaktierung von Verbindungsleiter und Leitersubstrat besonders vorteilhaft. Während bei weniger anspruchsvollen Anwendungen eine Kontaktierung über eine rein mechanische Federkontaktierung erfolgen kann, wie vorstehend beschrieben, ist für Anwendungen mit häufig wechselnden Temperaturen und mit einer großen Temperaturbandbreite sowie beispielsweise unter mechanischer Beanspruchung (Rütteln oder ähnliches) eine Sinterverbindung zur Erzielung höherer Betriebssicherheit außerordentlich vorteilhaft.
- Besonders bevorzugt ist die Sinterverbindung eine Niedertemperatur-Sinterverbindung. Eine Niedertemperatur-Sinterverbindung ist hierbei eine solche, die über ein bei Niedertemperatur sinterndes Metall, beispielsweise Silber-Nanopulver, bewirkt werden kann, das bei Temperaturen in einem Bereich von typischerweise etwa 200°C für eine mechanische Verbindung über Interdiffusion zwischen den zu kontaktierenden Sinterstellen sorgt. Idealerweise werden hierbei die Einlegeteile, also Verbindungsleiter und/oder Leitersubstrat, an ihren jeweiligen Kontaktstellen mit Nickel und/oder Gold beschichtet, um die Interdiffusion von Silber und damit mechanische Verankerung zu fördern. Die Kontaktstellen können wahlweise auch mit Nickel und/oder Palladium und/oder Gold und/oder einer Legierung dieser Metalle beschichtet sein.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Leitersubstrat eine low temperature cofire ceramic (LTCC). Eine low temperature cofire ceramic ist eine solche, bei der das Leitersubstrat in mehreren Schichten aufgebaut ist, die, anders als etwa bei der sogenannte Dickschichttechnik, in einem einzigen Vorgang erzeugt werden können (cofire). Gerade die Einhausung solcher Hybridmodule ist im Stand der Technik mit erheblichem Aufwand und relativ großen Gehäusebauformen verbunden, wobei die Entwärmung nur über aufwendig konstruierte Gehäuse gelingt. Diese Nachteile können mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform gelöst werden.
- Ferner wird ein Verfahren zur Fertigung einer elektronischen Baueinheit vorgeschlagen, die mindestens ein, Bauelemente tragendes Leitersubstrat aufweist, das mit einem mechanischen Schutz umgeben ist, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
- a) Anordnen des Leitersubstrats in einem Moldwerkzeug.
- b) Anordnen eines eigensteifen, federelastischen, elektrischen Verbindungsleiters in Gegenüberlage des Leitersubstrats, wobei der Verbindungsleiter zumindest bereichsweise mit dem Leitersubstrat in vorgespannten Berührkontakt tritt.
- c) Ummolden der so gewonnenen Anordnung mit Moldmasse zur Ausbildung des mechanischen Schutzes.
- Das Leitersubstrat wird demzufolge in dem Moldwerkzeug angeordnet, in dem später das Molden erfolgt. Relativ hierzu wird der Verbindungsleiter in Gegenüberlage des Leitersubstrats angeordnet, wobei der Verbindungsleiter in Berührkontakt zum Leitersubstrat tritt, und zwar an den stellen, an denen die Kontaktierung zwischen Verbindungsleiter und Leitersubstrat erfolgen soll. Ist diese Anordnung vorhanden, wird Moldmasse in das Moldwerkzeug eingegeben, um den mechanischen Schutz durch Ummolden der so gewonnenen Anordnung von Leitersubstrat und Verbindungsleiter zur Ausbildung des mechanischen Schutzes. Anders als im Stand der Technik wird also nicht in ein vorhandenes Gehäuse eingeschalt, das als separates Bauteil vorliegt. Der mechanische Schutz (im weitesten Sinne also ein neu zu erstellendes Gehäuse) entsteht im Moment des Ummoldens der beschriebenen Anordnung durch die Moldmasse.
- Bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, in dem vor der vorstehend beschriebenen Verfahrensabfolge auf dem Leitersubstrat Kontaktstellen mittels eines bei niedrig Temperatursinternden Metalls, insbesondere Silber-Nanopulver und/oder Nickel und/oder Palladium und/oder Gold beziehungsweise einer Verbindung aus Metallen zum Versintern in Bereichen des Verbindungsleitern ausgebildet werden.
- Bevorzugt erfolgt die Versinterung genannter Bereiche während des Umspritzens mit der Moldmasse und/oder während eines Auswärmens der Moldmasse. Zum Versintern wird kein gesonderter Verfahrensschritt benötigt, es handelt sich hierbei nämlich um ein Niedertemperatursintern, das in einem Temperaturbereich erfolgt, in dem die Ummoldung vorgenommen wird. Die Moldmasse hat beispielsweise eine Temperatur von etwa 300°C, wobei die Versinterung bereits bei Temperaturen um etwa 200°C beginnt.
- In einer bevorzugten Verfahrensausbildung wird das Leitersubstrat vor dem Molden mit einem Grundkörper, insbesondere einer wärmeleitfähigen Grundplatte, verbunden oder auf und/oder an dieser angeordnet. Hierdurch lässt sich eine leichte Entwärmung erzielen. In einer besonders bevorzugten Verfahrensausbildung werden zur Erreichung einer hohen Packungsdichte vor dem Ummolden zwei Leitersubstrate jeweils in Gegenüberlage angeordnet, wobei zwischen den beiden Leitersubstraten der Verbindungsleiter zur zumindest abschnittsweisen gleichzeitigen Kontaktierung beider Leitersubstrate angeordnet wird. Selbstverständlich kann der Verbindungsleiter zumindest bereichsweise auch aus der Moldmasse herausragend angeordnet sein, um einen Steckverbinder auszubilden.
- Selbstverständlich sind hierbei auch Verfahrensausbildungen möglich, in denen mehr als zwei Leitersubstrate jeweils in Gegenüberlage angeordnet werden, beispielsweise drei, vier oder noch mehr, und wobei zwischen diesen jeweils ein Verbindungsleiter zur zumindest abschnittweisen gleichzeitigen Kontaktierung gegenüberliegender Leitersubstrate angeordnet wird, wobei auch der jeweilige Verbindungsleiter gleichzeitig zu einer Außenkontaktierung aus der Moldmasse herausragend angeordnet werden kann. Im Interesse bestmöglicher Entwärmung werden die Leitersubstrate, die den größten Temperaturaustrag erfordern, jeweils Ober- und Unterseitig eines solchen Stapels angeordnet, damit sie zumindest abschnittsweise aus der Moldmasse herausragen oder mit einer Grundplatte zumindest abschnittsweise aus der Moldmasse herausragend ausgebildet werden können.
- In einer weiteren, besonders bevorzugten Verfahrensausbildung wird die Vorspannung des Verbindungsleiters zur Anlage an mindestens einem Leitersubstrat bei einem Schließen des Moldwerkzeugs aufgebracht. Dies bedeutet, dass der Verbindungsleiter lose auf dem mindestens einen Leitersubstrat auf- oder anliegt, und die Vorspannung zur sicheren Kontaktaufbringung zwischen Verbindungsleiter und Leitersubstrat dadurch entsteht, dass das Moldwerkzeug geschlossen und durch das Schließen des Moldwerkzeugs die Relativlage von Verbindungsleiter und Leitersubstrat verändert wird, nämlich im Abstand verkleinert; so entsteht die gewünschte Vorspannung.
- Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben; so entsteht die gewünschte Vorspannung.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt zu sein.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Es zeigt
- die Figur eine elektronische Baueinheit mit zwei Leitersubstraten und dazwischen angeordneten Verbindungsleiter, der auch als Steckverbinder ausgebildet ist.
- Ausführungsform(en) der Erfindung
- Die Figur zeigt eine elektronische Baueinheit
1 , mit zwei sich im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten Leitersubstraten2 , nämlich low temperature cofire ceramic (LTCC)3 . Auf diesen sind elektronische Bausteine4 , beispielsweise Halbleiter5 angeordnet. Diese sind auf dem Leitersubstrat2 verlötet oder gebondet, beispielsweise über Drahtbonden6 . Die Leitersubstrate2 sind hierbei dergestalt planparallel mit Abstand zueinander angeordnet, dass zwischen ihnen ein Verbindungsleiter7 , der beispielsweise zumindest abschnittsweise in Form eines Stanzgitters8 ausgebildet ist, angeordnet ist. Dieser weist zur Kontaktierung der Leitersubstrate2 federelastische Kontaktfedern9 auf, die bevorzugt einstückig zu dem Verbindungsleiter7 ausgebildet sind, beispielsweise durch Stanzen und Formen. Die Kontaktfedern9 liegen, bedingt durch den Abstand der Leitersubstrate2 zueinander, mit Vorspannung an Kontaktstellen10 des jeweiligen Leitersubstrats2 an. Im Bereich der Kontaktstellen10 ist auf den Leitersubstraten2 ein bei Niedertemperatur sinterndes Metall aufgebracht, insbesondere Silber-Nanopulver und/oder Nickel und/oder Palladium und/oder Gold. Bevorzugt ist solches auch an den Enden11 der Kontaktfedern9 aufgebracht, die mit den Kontaktstellen10 in Berührkontakt stehen. Die elektronische Baueinheit1 wird so ausgebildet, dass die vorbeschriebene Anordnung aus Leitersubstraten2 und Verbindungsleiter7 mit einer Moldmasse12 ummoldet wird, wobei ein mechanischer Schutz13 für die Leitersubstrate2 und den eingebetteten Verbindungsleiter7 in der Art eines durch das Ummolden entstehenden Gehäuses14 ausgebildet wird. Eines separaten Gehäuses als eigenständigem Bauteil bedarf es hierzu nicht. Durch das Ummolden mit Moldmasse12 erfolgt ein Temperatureintrag im Bereich der Kontaktfeder9 und der Kontaktstellen10 , so dass dort das bei Niedertemperatur sinternde Metall Sinterverbindungen15 ausbildet. Diese sind bevorzugt Niedertemperatursinterverbindungen16 . Hierdurch wird nicht nur eine sehr gute elektrische Kontaktierung zwischen Kontaktfedern9 und damit mit dem Verbindungsleiter7 mit den Kontaktstellen10 bewirkt, sondern auch eine mechanische Fixierung des Verbindungsleiters7 , nämlich über die Kontaktfeder9 mit den jeweiligen Leitersubstraten2 . Diese Ausführung ist besonders bei mechanischer Beanspruchung wie etwa Rütteln sehr betriebssicher. Die Leitersubstrate2 liegen mit ihren Rückseiten17 auf Grundkörpern18 auf, nämlich Grundplatte19 aus wärmeleitendem Material20 . Diese ragen über die Moldmasse12 nach deren Erkalten heraus, und zwar mit der Seite21 , die dem aufgebrachten Leitersubstrat2 abgewandt ist. Hierdurch lässt sich, ohne dass es zusätzlicher Kühlkörper oder besonders ausgestalteter und für den jeweiligen Anwendungsfall konzipierter, separater Gehäuse bedarf, eine sehr gute Entwärmung der elektronischen Baueinheit1 erreichen, so dass die Betriebssicherheit in vorteilhafter Weise erhöht ist. Die Herstellung der gezeigten elektronischen Baueinheit1 ist hierbei über ein Moldwerkzeug (nicht dargestellt) besonders einfach und kostengünstig möglich, insbesondere dann, wenn die erwähnte Vorspannung, mit der der Verbindungsleiter7 beziehungsweise dessen Kontaktfeder9 an den Leitersubstraten2 beziehungsweise deren Kontaktstellen10 anliegt, während des Moldens beziehungsweise beim Schließen des Moldwerkzeugs erzeugt wird. Weiter kann durch den Verbindungsleiter7 ein elektrischer Anschluss22 der elektronischen Baueinheit1 bewirkt werden, indem der Verbindungsleiter7 nämlich aus der Moldmasse12 zumindest bereichsweise herausragend angeordnet wird. Hierdurch lassen sich in sehr vorteilhafter und kostengünstiger Weise zusätzliche Kontaktierungsmittel, beispielsweise Messerleisten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, einsparen. Insbesondere im Bereich der Mikrohybrid- Schaltungstechnik lassen sich so kostengünstig außerordentlich betriebssichere elektronische Baueinheiten herstellen.
Claims (16)
- Elektronische Baueinheit, mit mindestens einem, Bauelemente tragenden Leitersubstrat, das mit einem mechanischen Schutz umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitersubstrat (
2 ) von einer Moldmasse (12 ) als mechanischem Schutz (13 ) umgeben ist und mittels mindestens eines eigensteifen, federelastischen, elektrischen Verbindungsleiters (7 ) kontaktiert ist, wobei der Verbindungsleiter (7 ) zumindest bereichsweise mit in die Moldmasse (12 ) eingebettet ist. - Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite des Leitersubstrats (
2 ) zumindest bereichsweise aus der Moldmasse (12 ) zur Wärmeableitung herausragt. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite oder Seite des Leitersubstrats (
2 ) auf einem Grundkörper (18 ), insbesondere einer Grundplatte (19 ), angeordnet ist, die zumindest bereichsweise aus der Moldmasse (12 ) zur Wärmeableitung herausragt. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Leitersubstrate (
2 ), die mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Verbindungsleiter (7 ) zwischen den Leitersubstraten (2 ) angeordnet und mit beiden Leitersubstraten (2 ) elektrisch verbunden ist. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt des Verbindungsleiters (
7 ) aus der Moldmasse (12 ) als elektrischer Anschluss herausragt. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitersubstrat (
2 ) eine Leiterplatte ist. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleiter (
7 ) mit Vorspannung an dem Leitersubstrat (2 ) anliegt. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleiter (
7 ) mit dem Leitersubstrat (2 ) über eine Sinterverbindung (15 ) versintert ist. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterverbindung (
15 ) eine Niedertemperatur-Sinterverbindung (16 ) ist. - Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitersubstrat (
2 ) eine low temperature cofire ceramic (LTCC) (3 ) ist. - Verfahren zur Fertigung einer elektronischen Baueinheit, die mindestens ein, Bauelemente tragendes Leitersubstrat aufweist, das mit einem mechanischen Schutz umgeben ist, umfassend die Schritte a) Anordnen des Leitersubstrats in einem Moldwerkzeug b) Anordnen eines eigensteifen, federelastischen, elektrischen Verbindungsleiters in Gegenüberlage des Leitersubstrats, wobei der Verbindungsleiter zumindest bereichsweise mit dem Leitersubstrat in vorgespannten Berührkontakt tritt c) Ummolden der so gewonnenen Anordnung mit Moldmasse zur Ausbildung des mechanischen Schutzes.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) auf dem Leitersubstrat Kontaktstellen mittels eines bei Niedertemperatur sinternden Metalls, insbesondere Silber-Nanopulver und/oder Nickel und/oder Palladium und/oder Gold zum Versintern mit Bereichen des Verbindungsleiters ausgebildet werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versinterung während des Umspritzens mit Moldmasse und/oder während eines Auswärmens der Moldmasse erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitersubstrat vor dem Molden mit einem Grundkörper, insbesondere einer wärmeleitfähigen Grundplatte, verbunden oder auf und/oder an dieser angeordnet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ummolden zwei Leitersubstrate jeweils in Gegenüberlage angeordnet werden, wobei zwischen den beiden Leitersubstraten der Verbindungsleiter zur zumindest abschnittsweisen gleichzeitigen Kontaktierung beider Leitersubstrate angeordnet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung des Verbindungsleiters zur Anlage an mindestens einem Leitersubstrat bei einem Schließen des Moldwerkzeugs aufgebracht wird.
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