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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lötkontrolle bei einem Baustein für eine integrierte Schaltung, welcher ein Gehäuse aufweist, in dem ein Halbleiter-Chip auf einem Kühlpad in thermischen Kontakt aufgebracht ist und das Kühlpad eine metallische Fläche an der Unterseite des Gehäuses ausbildet, welche mit einer flächig, entsprechend der metallischen Fläche des Kühlpads ausgebildeten Leiterbahn einer Leiterplatte zur Wärmeabfuhr der im Betrieb entstehenden Verlustleistung des Halbleiter-Chips verlötet wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Prüfanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Integrierte Schaltungen mit erhöhter Verlustleistung, beispielsweise μ-Prozessoren, werden in manchen Fällen in einem Gehäuse mit einem Kühlpad bzw. E-Pad verpackt. Bei sogenannten QFP-Gehäusen (Quad Flat Package) ist das E-Pad eine Metallfläche auf der Unterseite des Bauelementes, welche in sehr gutem thermischen Kontakt zum eigentlichen Halbleiter-Chip im Gehäuse steht. Diese Metallfläche muss mit der Leiterplatte verlötet werden, damit eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet werden kann. Da die Lötung sich unter dem Bauteil befindet, kann die Lötung nicht optisch kontrolliert werden. Stand der Technik ist es, diese Lötung durch Röntgen zu kontrollieren. Dies setzt jedoch eine aufwendige Röntgenanlage in der Fertigung voraus. Üblicherweise sind daher oft nur Sichtkontrollen vorgesehen, wie diese in folgenden Schriften beschrieben sind.
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In der
DE 19 639 183 A1 wird ein Anschlussrahmen für ein mikroelektronisches Bauteil beschrieben, welches eine Vielzahl von Anschlussfingern und eine Insel zur Befestigung eines Halbleiterchips umfasst, wobei wenigstens ein Teilbereich der Insel entlang wenigstens zweier Falzkanten der Insel herausgefalzt ist. Die Falzung der Insel kann dabei auch derart ausgeführt sein, dass sich mehrere Bereiche für einen Endbereich (entspricht der Kühlfläche) ergeben, der thermisch in Kontakt zu einer Leiterplatte steht, auf die das Bauteil aufgelötet ist. Die in der Schrift beschriebenen und gezeigten Anordnungen gehen dabei davon aus, dass die Endbereiche bzw. Kühlflächen elektrisch miteinander verbunden sind. In einigen Ausführungsbeispielen wird lediglich eine Verlängerung der Endbereiche bzw. Kühlflächen über die Gehäusekanten hinaus vorgeschlagen, so dass diese zur Lötkontrolle genutzt werden können.
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Die
DE 19 621 766 A1 beschreibt eine Halbleiteranordnung bestehend aus mindestens einem Halbleiterleistungselement mit Kunststoffgehäuse, einem Wärmeverteiler und Kontaktierungsmitteln, worin der Wärmeverteiler zumindest an einer Schmalseite des Kunststoffgehäuses freiliegt, wobei die ebene Ausdehnung des Wärmeverteilers maximal bis zum Rand des Umrisses des Kunststoffgehäuses reicht und das Kunststoffgehäuse an der besagten Schmalseite eine Aussparung aufweist, wodurch der Wärmeverteiler zusätzlich an seiner oberen Seite offenliegt. Als besonders vorteilhaft wird in der Schrift beschrieben, dass einerseits eine Kontrolle der Lötverbindung zwischen Wärmeverteiler und Leiterbahnbereich der Leiterplatte ermöglicht wird, wobei der entstehende Meniskus visuell kontrolliert werden kann, und dass andererseits beim Einlöten des Bauteils die Wärmezufuhr über die in der besagte Aussparung zugänglichen Oberfläche des Wärmeverteilers geschehen kann.
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In den beschrieben Schriften ist es nicht möglich die Lötung direkt unter dem Bauteil zu kontrollieren.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur vereinfachten Lötkontrolle, insbesondere zur Sicherstellung eines guten thermischen Kontaktes zwischen Kühlpad und Leiterbahnen unter dem Bauteil, bereit zu stellen.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Prüfanordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Leiterbahn im Bereich der metallischen Fläche des Kühlpads segmentiert ausgelegt wird und mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Zonen aufweist, wobei mindestens eine der Zonen elektrisch auf dem Potential des Kühlpads gelegt wird und zur Prüfung der Verlötung die davon isoliert ausgeführte Zonen mit einem Prüfspannungspotential zumindest kurzzeitig beaufschlagt werden und ein Spannungsabfall oder ein Stromfluss zur Beurteilung der Verlötung ausgewertet wird.
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Die die Prüfanordnung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Leiterbahn im Bereich der metallischen Fläche des Kühlpads segmentiert ausgelegt ist und mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Zonen aufweist, wobei mindestens eine der Zonen elektrisch auf dem Potential des Kühlpads gelegt ist und zur Prüfung der Verlötung die davon isoliert ausgeführten Zonen mit einem Prüfspannungspotential zumindest kurzzeitig beaufschlagt sind und ein Spannungsabfall oder ein Stromfluss zur Beurteilung der Verlötung mit einer externen Prüfvorrichtung oder mittels der integrierten Schaltung selbst auswertbar ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens kann die Lötung elektrisch kontrolliert werden. Eine aufwendige Röntgenkontrolle kann damit entfallen, was die Gerätefertigung einfacher und kostengünstiger gestaltet. Man nutzt dabei aus, dass bei einer optimalen Verlötung alle Zonen über das Kühlpad elektrisch verbunden sind, so dass beim Anlegen des Prüfspannungspotentials an Messzonen gegenüber den Zonen, welche auf dem Potential des Kühlpads liegen, ein Spannungsabfall bzw. ein Kurzschlussstrom gemessen werden kann.
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Das Verfahren sieht in einer bevorzugten Verfahrensvariante dabei weiterhin vor, dass anhand des Spannungsabfalls oder der Höhe des Stromflusses während der Beaufschlagung mit dem Prüfspannungspotential die Qualität der Verlötung des Kühlpads mit der Leiterbahn beurteilt wird. So ist beispielsweise bei einer optimalen Verlötung der Übergangswiderstand zwischen Kühlpad und den jeweiligen Zonen vernachlässigbar klein, so dass sich beispielsweise, abhängig von der Prüfspannung, ein vergleichsweise hoher Kurzschlussstrom ergibt. Ist einer der Übergänge aufgrund einer schlechten Verlötung vergleichsweise hochohmig, wird ein geringer Spannungsabfall bzw. ein niedrigerer Kurzschlussstrom gemessen. Dies trifft auch für eine fehlende Lötverbindung zu. Hierbei kommt es lediglich, wenn überhaupt, zu undefinierten Kontakten, was sich in einem höheren Übergangswiderstand bemerkbar macht. Mittels entsprechender vorgebbarer Schwellen kann mit diesem Verfahren eine schnelle und zuverlässige Qualitätssicherung gewährleistet werden.
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Eine vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Zonen, an denen zumindest kurzzeitig das Prüfspannungspotential angelegt wird, mit jeweils einem Mess-Pin elektrisch leitend verbunden sind und zur Prüfung an dem Mess-Pin (ICT-Pin) mit einer externen Prüfvorrichtung das Prüfspannungspotential angelegt und gegen das Potential der Zone, welche auf dem Potential des Kühlpads liegt, gemessen wird. Diese Funktionalität lässt sich beispielsweise in einem Prüfautomaten integrieren, mit dem noch andere Funktionen der Schaltung während der Qualitätsprüfung in der Fertigung überprüft werden können.
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Eine alternative Verfahrensvariante sieht vor, dass die Zonen, an denen zumindest kurzzeitig das Prüfspannungspotential angelegt wird, mit jeweils einem bestimmten Anschluss der Integrierten Schaltung elektrisch verbunden sind und zur Prüfung der jeweilig Anschluss auf das Prüfspannungspotential gelegt und gegen das Potential der Zone, welche auf dem Potential des Kühlpads liegt, gemessen wird. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die integrierte Schaltung über eine Selbsttest- bzw. Diagnosefunktion verfügt oder diese entsprechend programmiert werden kann. Dabei kann dann eine externe Prüfvorrichtung entfallen.
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Prinzipiell können aber beide zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten auch in Kombination eingesetzt werden. Zur Durchführung beider Verfahrensvarianten sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Prüfanordnung vor, dass die mit dem Prüfspannungspotential beaufschlagte Zonen mit einem Mess-Pin auf der Leiterplatte und/oder mit einem oder mehreren bestimmten Anschlüssen der integrierten Schaltung verbunden sind, wobei das Potential des Kühlpads auf einem Masse-Potential liegen kann.
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In einer weiteren, ebenfalls vorteilhaften Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass mehrere untereinander elektrisch isolierte Zonen gegenüber den Zonen, welche auf dem Potential des Kühlpads liegen, gleichzeitig oder nacheinander mit dem Prüfspannungspotential beaufschlagt und der Spannungsabfall oder der Stromfluss bestimmt wird. Dies bietet den Vorteil einer flächenbereichsweisen Überwachung der Verlötung unter dem Kühlpad, was beispielsweise bei größeren Bauteilen mit entsprechend großen Kühlpads von Vorteil ist. Somit kann sichergestellt werden, dass auch alle Bereiche des Kühlpads ordnungsgemäß verlötet sind und damit ein optimaler thermischer Kontakt hergestellt ist.
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Zur Durchführung dieser Verfahrensvariante können beispielsweise die Zonen der Leiterbahnen unter dem Kühlpad der integrierten Schaltung in einem inneren Bereich und einem, diesen nahezu umschließenden äußeren Bereich ausgeführt sein, wobei der innere Bereich auf dem Potential des Kühlpads liegt und der äußere Bereich zumindest kurzzeitig während der Lötkontrolle mit dem Prüfspannungspotential beaufschlagt ist, wobei der äußere Bereich in zwei oder mehr Zonen aufgeteilt sein kann und diese nacheinander oder gleichzeitig auf das Prüfspannungspotential während der Prüfung gelegt sind. Damit kann eine großflächige Qualitätsprüfung der Verlötung unter dem Kühlpad gewährleitet werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Zonen der Leiterbahnen unter dem Kühlpad quadrantenartig in rechteckige oder quadratische Zonen aufgeteilt, wobei zumindest eine dieser Zonen auf dem Potential des Kühlpads liegt und die restlichen Zonen nacheinander oder gleichzeitig auf das Prüfspannungspotential während der Prüfung gelegt sind.
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Es sei angemerkt, dass dies lediglich Ausführungsbeispiele sind und die Geometrie der Prüfzonen unter dem Kühlpad der integrierten Schaltung sich nach den geometrischen Ausführungsformen des Gehäuses und dem auf der Leiterplatte zur Verfügung stehenden Platz für die Leiterbahnführung sowie nach Anforderungen hinsichtlich der gegenseitigen Beeinflussung der spannungsführenden Leiterbahnen bzw. hinsichtlich der elektromagnetischen Beeinflussung richten.
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Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Varianten beschrieben wurde, sowie die Verwendung der zuvor beschriebenen Prüfanordnung, sieht den Einsatz bei elektrischen Lötkontrollen bei integrierten Schaltung vor, welche ein QFP-Gehäuse aufweisen. Insbesondere leistungsfähige und hochintegrierte Schaltungen, wie beispielsweise μ-Prozessoren, weisen in ihrem Betrieb eine nicht unerhebliche Verlustleistung auf, die zum Schutz vor Überhitzung und, in Folge, vor Ausfall über eine thermische Anbindung zur Platine bzw. Leiterplatte abgeführt werden muss. Dies wird durch eine möglichst flächige Verlötung des Kühlpads in diesem Gehäusetyp mit den Leiterbahnen der Leiterplatte erreicht, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung vorteilhaft zum Einsatz kommen kann. Derartige Bauarten für integrierte Schaltungen werden beispielsweise u. a. bei leistungsfähigen Motorsteuergeräten verwendet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung die Unterseite einer integrierten Schaltung mit einem Kühlpad,
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2 die integrierte Schaltung mit einer strukturierten Leiterplatte in einer schematischen Schnittdarstellung,
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3 eine Prüfanordnung mit der strukturierten Leiterplatte zur elektronischen Lötkontrolle unter der integrierten Schaltung und
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4a, 4b und 4c beispielhafte Ausführungsformen einer segmentierten Zone unter dem Kühlpad der integrierten Schaltung.
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1 zeigt schematisch eine integrierte Schaltung 10, z. B. einen μ-Prozessor, von der Unterseite, wobei das Gehäuse 11 als QFP-Gehäuse ausgeführt ist. Quad Flat Package (QFP) bezeichnet in der Elektronik eine weit verbreitete Gehäusebauform für Integrierte Schaltungen. Die Lötanschlüsse 12 (eins) befinden sich an den vier Seiten des flachen Gehäuses 11. QFP werden als oberflächenmontierte Bauteile auf Leiterplatten 20 gelötet. QFP-Bausteine gibt es mit unterschiedlicher Anzahl von Lötanschlüssen. Beispielsweise sind 44, 56, 64, 80, 100, 128, 144, 160, 176, 208, 240, 272 oder 304 Lötanschlüsse 12 üblich. In der Mitte des Gehäuses 11 befindet sich ein Kühlpad 13 oder auch E-Pad, üblicherweise bestehend aus einem sehr gut wärmeleitenden Material, wie z. B. Kupfer.
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In 2 ist das Gehäuse 11 der integrierten Schaltung 10, welche auf einer Leiterplatte 20 oder Platine aufgelötet ist, in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Das Kühlpad 13 ist als Wärmesenke ausgelegt, auf der ein oder mehrere Halbleiter-Chips 15 aufgelötet oder aufgeklebt sind. Der oder die Halbleiter-Chips 15 sind mittels Bonddrähten 14 elektrisch mit den einzelnen Lötanschlüssen 12 verbunden. Die Leiterplatte 20 weist einen Träger 21, z. B. aus Keramik, Epoxidharz oder kaschiertem Aluminium, auf, auf dem die Leiterbahnen 22 zur Kontaktierung der Lötanschlüsse 12 aufgebracht sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für die Verlötung der integrierten Schaltung 10 mit der Kühlfläche auf die Leiterplatte 20 die Leiterplatte 20 unter dem Kühlpad 13 eine segmentierte Zone 23 aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass innerhalb dieser Segmentierung der Leiterbahnen 22 mindestens ein Segment dieser Fläche (Land) elektrisch isolierend zu einer Restfläche dieser Fläche unter der Kühlfläche angeordnet ist, wobei die Restfläche elektrisch auf dem Potential des Kühlpads 13, welches meistens das Masse-Potential (GND) ist, liegt.
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3 zeigt eine Prüfanordnung 30 für die erfindungsgemäße elektrische Lötkontrolle. Das Land auf der Leiterplatte 20, mit dem das Kühlpad 13 (E-Pad) der integrierten Schaltung 10 verlötet ist, ist in zwei oder mehr Zonen aufgeteilt, die elektrisch voneinander isoliert sind. Diese Zonen werden bei einer idealen Verlötung durch das E-Pad elektrisch miteinander verbunden. Die einzelnen Zonen sind über Leiterbahnen 22 mit Mess-Pins (ICT-Pad) zum Testen mit einer externen Prüfvorrichtung 40 oder mit bestimmten Lötanschlüssen 12 der integrierten Schaltung 10 (Prozessor-Anschluss) zum Selbsttest der integrierten Schaltung 10 verbunden. Im gezeigten Beispiel sind bestimmte Bereiche der segmentierten Zone 23 miteinander verbunden und liegen auf dem Potential des Kühlpads 13. In der Regel ist dies das Masse-Potential 42. In den Eckbereichen der segmentierten Zone 23 befinden sich zu den, auf dem Potential des E-Pads liegenden inneren Zonen jeweils dazu elektrisch isolierte Zonen, die zu Testzwecken nacheinander oder gleichzeitig auf ein Prüfspannungspotential 43 gelegt werden können. Dies kann mit Prüfelektroden 41 der externen Prüfvorrichtung 40 oder mittels eines Selbsttest-Programms der integrierten Schaltung 10 selbst erfolgen.
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Sind alle Bereiche des Kühlpads 13 ordnungsgemäß verlötet, kann über den Spannungsabfall oder den fließenden Kurzschlussstrom beim Anlegen des Prüfpotentials 43 diagnostiziert werden, dass eine ordnungsgemäße Verlötung und damit eine optimale Wärmekopplung realisiert ist. Ergibt sich bei einer der isolierten Zonen beim Anlegen des Prüfspannungspotentials 43 kein oder nur ein geringer Spannungsabfall oder ein nur kleiner Kurzschlussstrom, kann beispielsweise auf eine fehlerhafte Lötstelle geschlossen werden, was zumindest in diesem Bereich einen erhöhten Wärmewiderstand darstellt, so dass eine optimale Kühlung der integrierten Schaltung 10 im Betrieb nicht gewährleistet ist.
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Die 4a bis 4c zeigen einige Ausführungsbeispiele der segmentierten Zone 23 unter dem Kühlpad 13 der integrierten Schaltung 10, wobei diese mindestens zwei Zonen (Lands) aufweist.
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Eine der Zonen kann, wie dies in 4a dargestellt ist, aus einem inneren Bereich und einem, diesen nahezu umschließenden äußeren Ring bestehen, wobei der innere Bereich auf Masse-Potential 42 und der äußere Ring zumindest kurzzeitig während der Lötkontrolle auf dem Prüfspannungspotential 43 liegt.
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4b zeigt eine Anordnung der Lands innerhalb der segmentierten Zone 23, die aus vier quadratischen oder rechteckigen Leiterbahnen 22 besteht, wobei eine dieser Flächen auf Masse-Potential 42 und die restlichen drei Flächen, nacheinander oder gleichzeitig für eine bestimmte Zeit auf dem Prüfspannungspotential 43 liegen.
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4c zeigt eine ähnliche Anordnung, wie sie in 4a gezeigt wurde, wobei der äußere Bereich in zwei Zonen aufgeteilt ist. Beide äußeren Zonen können nacheinander oder gleichzeitig für Prüfzwecke auf das Prüfspannungspotential 43 gelegt sein, wobei der innere Bereich auf dem Masse-Potential 42 liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19639183 A1 [0004]
- DE 19621766 A1 [0005]
