DE102014220204A1

DE102014220204A1 - Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung und Bauteileverbund

Info

Publication number: DE102014220204A1
Application number: DE102014220204.3A
Authority: DE
Inventors: Timo Herberholz; Andreas Fix
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung (10) zwischen einem Trägerelement (1) und wenigstens einem Bauelement (2), bei dem auf dem Trägerelement (1) zwei Schichten (11, 15) aufgebracht werden, wobei die erste Schicht (15) zumindest Metallpartikel und die zweite Schicht (11) zumindest Lotmittel aufweist, und wobei das Trägerelement (1) und die beiden Schichten (11, 15) anschließend zumindest einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei der die Schicht (11) mit dem Lotmittel verflüssigt wird und in die Struktur der die Metallpartikel enthaltenden zweiten Schicht (15) eindringt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Schicht (11) flussmittelfrei ausgebildet ist, und dass die Wärmebehandlung unter einer Flussmitteleigenschaften aufweisenden Atmosphäre (50) stattfindet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Bauteileverbund, der insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2013 218 423 A1 der Anmelderin bekannt. Das bekannte Lötverfahren wird insbesondere zum Herstellen von Schaltungsbaugruppen verwendet, bei dem auf einem Trägerelement, beispielsweise in Form einer Leiterplatte oder ähnlichem, wenigstens ein elektronisches Bauelement angeordnet wird. Hierzu ist es bei dem bekannten Verfahren vorgesehen, dass auf dem Schaltungsträger zwei Schichten aufgebracht werden, wobei die eine Schicht zumindest Metallpartikel und die andere Schicht zumindest Lotmittel aufweist bzw. enthält. Bei dem bekannten Verfahren weist die das Lotmittel enthaltende Schicht zusätzlich Flussmittel auf, das in bekannter Art und Weise dazu dient, an den Oberflächen vorhandene Oxide zu entfernen, die ggf. auch während des Lötvorgangs durch den Sauerstoff der Luft entstehen können. Gleichzeitig bewirkt das Flussmittel eine bessere Benetzung der Kontaktoberfläche durch das Lot und setzt zusätzlich die Grenzflächenspannung herab. Das bekannte Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Metallpartikel enthaltende Schicht während einer Wärmebehandlung versintert und dadurch an ihrer Oberfläche Poren aufweist, die bei einer nachfolgenden Temperaturerhöhung, bei der die das Lotmittel enthaltende Schicht verflüssigt wird, von dem (verflüssigten) Lot ausgefüllt werden. Dadurch wird eine bessere Verbindung zwischen dem Trägerelement und dem über die Metallpartikel enthaltende Schicht gekoppelten elektronischen Bauelement ermöglicht. Insbesondere dient die Metallpartikel enthaltende Schicht auch dazu, einen verbesserten Wärmeübergang von dem Bauelement an das Trägerelement zu ermöglichen, insbesondere, wenn das Bauelement als Leistungsbauteil während des Betriebs relativ viel Wärme erzeugt. Nachteilig bei dem aus der genannten Schrift bekannten Verfahren ist es, dass die das Lotmittel und das Flussmittel enthaltende Schicht bei der Aktivierung des Flussmittels Rückstände aus dem Flussmittel erzeugt, die insbesondere auch im Bereich der Poren der versinterten Metallpartikel anhaften bzw. eindringen und damit das Eindringen des verflüssigten Lotmittels in die Poren erschwert.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dieses gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Festigkeit und/oder Wärmeabfuhr der Lötverbindung ermöglicht. Unter einer verbesserten Festigkeit wird dabei eine verbesserte Verbindung zwischen dem Trägerelement und einem über die Lötverbindung mit dem Trägerelement verbundenen, insbesondere elektronischen Bauteil verstanden. Unter einer verbesserten Wärmeabfuhr wird eine verbesserte Wärmeübertragung von einem Wärme erzeugenden elektronischen Bauteil in Richtung des Trägerelements über die Lötverbindung verstanden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die erste Schicht, welche Lotmittel enthält, flussmittelfrei ausgebildet ist, und dass die Wärmebehandlung unter einer Flussmitteleigenschaften aufweisenden Atmosphäre stattfindet. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass zumindest die das Lotmittel enthaltende Schicht flussmittelfrei ausgebildet ist und die Funktion des Flussmittels dadurch kompensiert wird, dass die Wärmebehandlung unter einer Atmosphäre stattfindet, die derart zusammengesetzt ist, dass die gleichen Effekte wie bei Verwendung von Flussmittel erzielt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat daher den Vorteil, dass durch den Verzicht von Flussmittel für die das Lotmittel enthaltende Schicht während der Wärmebehandlung (bei der insbesondere auch das Versintern der die Metallpartikel enthaltenen Schicht stattfindet) auch keine Rückstände durch Flussmittel entstehen können, die beim Benetzen der metallischen Schicht durch das verflüssigte Lotmittel das Eindringen bzw. Benetzen insbesondere der Poren der Metallpartikel reduzieren bzw. verschlechtern würden. Zusammenfassend wird daher ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem Bauelement vorgeschlagen, bei dem auf dem Trägerelement zwei, vorzugsweise nebeneinander angeordnete Schichten aufgebracht werden, wobei die erste Schicht zumindest Metallpartikel und die zweite Schicht zumindest Lotmittel aufweist, und wobei das Trägerelement und die beiden Schichten anschließend zumindest einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei der die Schicht mit dem Lotmittel verflüssigt wird und in die Struktur der die Metallpartikel enthaltenden zweiten Schicht eindringt, wobei die erste Schicht flussmittelfrei ausgebildet ist, und dass die Wärmebehandlung unter einer Flussmitteleigenschaften aufweisenden Atmosphäre stattfindet. Besonders bevorzugt sind die zwei unterschiedlichen Schichten schachbrettartig angeordnet.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn zusätzlich zur ersten Schicht auch das Material der zweiten Schicht flussmittelfrei ausgebildet ist. Das bedeutet, dass keine zur Ausbildung der Lötverbindung dienenden Stoffe bzw. Bestandteile Flussmittel aufweisen und somit der Effekt der Verhinderung von Rückständen aus Flussmittel herrührend optimiert bzw. maximiert wird.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die erste und die zweite Schicht in Form einer Paste ausgebildet sind. Eine derartige Ausbildung hat insbesondere den Vorteil, dass die erste und die zweite Schicht in Form des Druckens auf das Trägerelement aufgebracht werden können, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere wird dadurch das Anhaften der Schichten an dem Trägerelement sowie das nach dem Aufbringen der Schichten erforderliche Handling bzw. der Transport der Schaltungsträger vereinfacht sowie das Positionieren von elektronischen Bauelementen im Bereich der Schichten erleichtert.
Besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn die Flussmitteleigenschaften aufweisende Atmosphäre dadurch gebildet wird, dass die Atmosphäre Ameisensäure enthält und vorzugsweise gesättigt ist. Das Sättigen der Atmosphäre findet beispielsweise dadurch statt, dass die Atmosphäre Stickstoff als Grundbestandteil bzw. Prozessgas enthält, das zum Erzielen der Sättigung über den Bereich einer verflüssigten Ameisensäure geführt wird, wobei der Stickstoff die gasförmigen Bestandteile der Ameisensäure aufnimmt. Unter einer gesättigten Atmosphäre im Sinne der Erfindung wird dabei der Zustand verstanden, bei dem entsprechend des vorherrschenden Drucks und insbesondere der vorherrschenden Temperatur der Atmosphäre bzw. des Prozessgases die maximale Menge an Ameisensäure in der Atmosphäre gespeichert wird. Die Verwendung von Ameisensäure hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Ameisensäure funktionell (bezüglich der Flussmitteleigenschaften bzw. der Reduktionseignung) gute Eigenschaften aufweist und einfach handzuhaben ist, da sie in flüssiger Form vorliegt. Es ist jedoch auch möglich, die Flussmitteleigenschaften bzw. reduzierende Eigenschaften aufweisende Atmosphäre dadurch auszubilden, dass anstelle von Ameisensäure Wasserstoff, ein Formiergas oder ähnliche Bestandteile verwendet werden.
In bevorzugter Art und Weise ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem ersten Zeitraum während der Wärmebehandlung beim Durchführen des Verfahrens das Trägerelement und die beiden Schichten in der Atmosphäre einer Temperatur ausgesetzt werden, die unterhalb der Schmelztemperatur der ersten, das Lotmittel enthaltenden Schicht liegt, wobei vorzugsweise während des ersten Zeitraums einer Versinterung der die Metallpartikel enthaltenden zweiten Schicht erfolgt. Der erste Zeitraum der Wärmebehandlung dient damit der Erfüllung zweier Aufgaben: Zum einen findet während des ersten Zeitraums der Wärmebehandlung die Versinterung der Metallpartikel zu einer (festen) Struktur statt, und zum zweiten dient der erste Zeitraum dazu, genügend Reaktionszeit für die Flussmitteleigenschaften aufweisende Atmosphäre zur Verfügung zu stellen, damit die Atmosphäre in gewünschten Art und Weise reduzierend auf die an der Lötverbindung teilnehmenden Oberflächen einwirken kann. Dazu ist es erforderlich, dass die Temperatur einerseits so hoch gewählt wird, dass das Versintern der Metallpartikel ermöglicht wird, und zum anderen niedrig genug, um ein Verflüssigen bzw. Aufschmelzen der das Lotmittel enthaltenden Schicht zu vermeiden. Dies kann beispielsweise dadurch sichergestellt sein, dass die Temperatur während des ersten Zeitraums der Wärmebehandlung 10°C unter dem Schmelzpunkt des Lotmittels ist.
Als geeignete Parameter während des ersten Zeitraums der Wärmebehandlung hat sich eine Temperatur von etwa 200°C (ausgehend von einer Schmelztemperatur von Weichlot von ca. 210°C bis 230°C) herausgestellt, wobei der erste Zeitraum der Wärmebehandlung etwa fünf Minuten dauert. Derartige Parameter während des ersten Zeitraums der Wärmebehandlung ermöglichen es, die gesamte Wärmebehandlung einschließlich des Verbindens des Schaltungsträgers mit dem elektronischen Bauelement innerhalb einer Gesamtprozessdauer von beispielsweise zehn Minuten durchzuführen.
Zur Vervollständigung der Wärmebehandlung bzw. zum Verbinden des Bauelements mit dem Trägerelement ist es darüber hinaus vorgesehen, dass während eines zweiten, sich an den ersten Zeitraum anschließenden Zeitraums die Temperatur zum Verflüssigen der das Lotmittel enthaltenden ersten Schicht auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der ersten Schicht erhöht wird. Hierzu sei angemerkt, dass die gewählte Temperatur dabei vorzugsweise lediglich etwas, beispielsweise 10°C bis 20°C über dem Schmelzpunkt des Lotmittels liegen sollte. Dadurch ist zum einen eine vollständige Verflüssigung des Lotmittels in der gewünschten Prozesszeit sichergestellt, und zum anderen wird die Wärmebelastung insbesondere der elektronischen Bauteile relativ gering gehalten.
Bevorzugt weist die zweite Schicht neben den Metallpartikeln Lotpulver sowie Hilfsstoffe auf. Bei den Metallpartikeln kann es sich beispielsweise um Partikel aus Kupfer, Bronze, Nickel, Zinn, Messing oder ähnlichem, oder Mischungen der genannten Partikel handeln. Die typische Korngröße derartiger Partikel beträgt zwischen 1µm und 100µm, wobei die Partikel auch unterschiedliche Korngrößen innerhalb der angegebenen Größenordnung enthalten können. Das ggf. verwendete Lotpulver weist typischerweise Korngrößen von ebenfalls zwischen 1µm und 100 µm auf. Unter Hilfsstoffen werden beispielsweise Binde-, Lösemittel oder ähnliche Bestandteile verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich sowohl für erste Schichten, die in Form einer Hartlotpaste als auch in Form einer Weichlotpaste ausgebildet sind. Dabei beträgt der Schmelzpunkt bei Verwendung einer Weichlotpaste, welche vorzugsweise bei den zur Diskussion stehenden Verbindungen bei elektronischen Bauelementen verwendet wird, beispielsweise zwischen 210°C bis 230°C.
Wie eingangs erwähnt, dient das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem einer verbesserten Wärmeabfuhr bzw. Wärmeübertragung zwischen dem Trägerelement und einem mit dem Trägerelement über die Lötverbindung verbundenen elektronischen Bauteil. Dieses Bauteil, das für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise eine bestimmte Mindestgröße von beispielsweise 10mm² aufweist, kann in bevorzugter Art und Weise mittels der Lötverbindung mit dem Trägerelement verbunden werden, wenn die beiden Schichten zumindest im Wesentlichen beabstandet zueinander, d.h. im Wesentlichen nicht überlappend, auf dem Schaltungsträger aufgebracht werden. Dabei gilt, dass je größer der Verbindungsbereich zwischen dem Bauelement mit dem Schaltungsträger ist, desto einfacher ist das Aufbringen der beiden Schichten bzw. das Einhalten voneinander getrennten Bereich für die beiden Schichten.
Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass die Verbindung des Bauelements mit dem Schaltungsträger über mehrere Bereiche erfolgt. Dadurch wird eine besonders homogene Verteilung des Materials der beiden Schichten zwischen dem Bauelement und dem Schaltungsträger und eine besonders geringe Prozesszeit ermöglicht, da das verflüssigte Lot aus der ersten Schicht jeweils nur einen relativ geringen Weg zurücklegen muss, um in die Struktur bzw. Poren der versinterten Metallpartikel in der zweiten Schicht einzudringen.
Es ist auch möglich und sogar bevorzugt vorgesehen, dass die beiden Schichten unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Insbesondere dann, wenn die Schicht, die als zweite Schicht auf den Schaltungsträger aufgebracht wird, eine größere Schichtdicke aufweist als die erste Schicht, wird ein besonders einfacher bzw. genauer Druck der beiden Schichten auf dem Schaltungsträger ermöglicht, da insbesondere das Material der ersten Schicht während des Aufdruckens der zweiten Schicht nicht in Berührung mit anderen Elementen gerät, welche zum Aufbringen der zweiten Schicht erforderlich sind.
Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren sieht darüber hinaus vor, dass vor dem Durchführen der eigentlichen Wärmebehandlung die Metallpartikel enthaltende Schicht getrocknet wird. Ein derartiges Verfahren hat sich aus prozesstechnischer Sicht als besonders vorteilhaft herausgestellt, da bei hoher Lötqualität kurze Prozeßzeiten zum Einwirken der Flussmitteleigenschaften aufweisenden Atmosphäre genügen.
Weiterhin kann es zur Steigerung der Lötqualität vorgesehen sein, dass nach dem Positionieren des Bauelements auf dem Trägerelement das Bauelement in Richtung des Trägerelements gedrückt wird, so dass Material der ersten oder der zweiten Schicht, vorzugsweise der ersten Schicht, bis in Höhe der Oberseite des Bauelements gelangt.
Die Erfindung umfasst auch ein Bauteileverbund, der insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei der Bauteileverbund ein Trägerelement und wenigstens ein mit dem Trägerelement über eine versinterte Metallpartikel enthaltende Schicht verbundenes Bauelement aufweist. Der erfindungsgemäße Bauteileverbund zeichnet sich dadurch aus, dass der Bauteileverbund nach dem Ausbilden der Lötverbindung keine Rückstände von Flussmittel aufweist. Bei dem Bauteileverbund kann es sich insbesondere, jedoch nicht einschränkend, um einen mit elektronischen Bauelementen bestückten Schaltungsträger handeln, wie er beispielsweise als Bestandteil von Steuergeräten in Kraftfahrzeugen oder ähnlichem eingesetzt wird. Vorzugsweise sind Poren der versinterte Metallpartikel enthaltende Schicht von Lotmittel ausgefüllt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 bis 4 jeweils im Längsschnitt eine erste erfindungsgemäße Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteileverbunds,
5 bis 8 eine zweite erfindungsgemäße Variante zum Herstellen des Bauteileverbunds, ebenfalls jeweils im Längsschnitt, und
9 bis 12 eine dritte erfindungsgemäße Variante zum Herstellen eines Bauteileverbunds, ebenfalls jeweils im Längsschnitt.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit der gleichen Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In den 1 bis 4 sind die einzelnen Schritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines in der 4 vollständig gezeigten Bauteileverbunds 100 dargestellt. Der Bauteileverbund 100 weist ein vorzugsweise ebenes bzw. flächiges Trägerelement 1, beispielsweise in Form einer Leiterplatte, eines Substrats oder ähnlichem auf, auf dem wenigstens ein vorzugsweise elektronisches Bauelement 2 angeordnet ist, das mittels einer erfindungsgemäßen Lötverbindung 10 mit dem Trägerelement 1 verbunden ist. Bei dem Bauelement 2 handelt es sich insbesondere, und nicht einschränkend, um ein wärmeerzeugendes bzw. wärmeabgebendes Bauelement 2 in Form eines Chips oder ähnlichem. Mittels der Lötverbindung 10 wird an dem Bauteileverbund 100 somit insbesondere eine Wärmeübertragung von dem Bauelement 2 an das Trägerelement 1 ermöglicht. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass die Lötverbindung 10 der elektrischen Kontaktierung des Bauelements 2 dient.
Ergänzend wird erwähnt, dass es auch möglich ist, dass das Bauelement 2 beispielhaft an seiner Oberseite über (nicht dargestellte) Bondverbindungen mit entsprechenden Kontaktierflächen an der Oberfläche des Trägerelements 1 elektrisch kontaktiert ist.
Zum Ausbilden des Bauteilverbunds 100 wird entsprechend der Darstellung der 1 in einem ersten Schritt zumindest in einen Überdeckungsbereich des Bauelements 2 mit dem Trägerelement 1, im dargestellten Ausführungsbeispiel sogar etwas über den Überdeckungsbereich des Bauelements 2 mit dem Trägerelement 1 seitlich hinaus, mehrere Bereiche 12a, 12b und 12c einer Lotmittel enthaltenden Schicht 11, vorzugsweise im Druckverfahren aufgebracht. Hierbei sind bei Verwendung eines eine quadratische Grundfläche aufweisenden Bauelements 2 beispielhaft drei nebeneinander beabstandete Bereiche 12a, 12b, 12c vorgesehen, und senkrecht zur Zeichenebene der 1 bis 4 ebenfalls drei entsprechende Bereiche 12a, 12b, 12c, sodass insgesamt neun Bereiche 12a, 12b, 12c auf dem Trägerelement 1 ausgebildet werden. Die Bereiche 12a, 12b und 12c können beliebige Grundflächenformen (insbesondere rechteckig oder rund) aufweisen, und gleiche oder unterschiedliche Größen haben.
Die erste Schicht 11, welche zumindest Lotmittel enthält und in Form einer Paste ausgebildet ist, weist eine Dicke d von beispielsweise 10µm bis 200µm auf. Die erste Schicht 11 kann entweder als Hartlotpaste oder aber als Weichlotpaste ausgebildet sein. Wesentlich dabei ist, dass die erste Schicht 11, die gegebenenfalls weitere Hilfsstoffe enthält, flussmittelfrei ausgebildet ist.
Nach dem Aufbringen der ersten Schicht 11 auf dem Trägerelement 1 wird entsprechend der Darstellung der 2 in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Bereichen 12a, 12b und 12c der ersten Schicht 11 Material einer zweiten Schicht 15 in Form von beispielsweise jeweils gleich ausgebildeter Bereiche 16a, 16b aufgebracht. Zwischen den Bereichen 16a, 16b der zweiten Schicht 15 und den Bereichen 12a, 12b und 12c der ersten Schicht 11 können, wie dargestellt, Abstände ausgebildet sein. Die Bereiche 16a, 16b können jedoch auch ohne Abstand zu den Bereichen 12a, 12b und 12c der ersten Schicht 11 angeordnet sein. Auch die zweite Schicht 15 bzw. die Bereiche 16a, 16b sind zusätzlich zu der Darstellung der 2 in den Zwischenbereichen zwischen den Bereichen 12a, 12b, 12c senkrecht zur Zeichenebene der 2 angeordnet. Auch das Aufbringen der zweiten Schicht 15 auf das Trägerelement 1 erfolgt vorzugsweise im Druckverfahren.
Bei der zweiten Schicht 15, die beispielsweise eine Dicke D von 50µm bis 300µm aufweist, handelt es sich um eine Metallpartikel enthaltende Paste. Bei den Metallpartikeln kann es sich beispielsweise um Metallpartikel aus Kupfer, Bronze, Nickel, Zink, Messing oder ähnlichem handeln. Die Korngröße der Metallpartikel beträgt typischerweise zwischen 1µm und 100µm, wobei sowohl Mischungen aus unterschiedlichen Metallpartikeln als auch Mischungen von unterschiedlichen Korngrößen denkbar sind. Zusätzlich enthält die zweite Schicht 15 vorzugsweise Hilfsstoffe, beispielsweise in Form von Bindemitteln, Lösemitteln oder ähnlichem. Wesentlich dabei ist, dass auch die zweite Schicht 15 ebenfalls flussmittelfrei ausgebildet ist.
Nach dem Aufbringen der beiden Schichten 11, 15 auf dem Trägerelement 1 kann es optional vorgesehen sein, dass durch eine entsprechende Wärmebehandlung insbesondere die zweite Schicht 15 getrocknet wird, wobei die Temperatur während dieser Wärmebehandlung unter der Schmelztemperatur des Lotmittels der ersten Schicht 11 gehalten wird. Insbesondere kann diese Wärmebehandlung dazu dienen, neben dem Trocknen der Hilfsstoffe ein Versintern der Metallpartikel der zweiten Schicht 15 zu bewirken.
Entsprechend der Darstellung der 3 erfolgt anschließend an die optional vorgesehene Wärmebehandlung bzw. Trocknungsphase, oder aber direkt nach dem Aufbringen der beiden Schichten 11, 15 auf dem Trägerelement 1, eine Bestückung des Trägerelements 1 mit dem Bauelement 2, wobei dieses auf den Bereichen 16a, 16b der zweiten Schicht 15 aufliegt. Gegebenenfalls können, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, zur Fixierung bzw. Positionierung des Bauelements 2 auf dem Trägerelement 1 entsprechende Hilfsstoffe (Leitkleber) zur Anwendung kommen.
Nach dem Bestücken des Trägerelements 1 mit dem elektronischen Bauelement 2 wird der soweit vorbereitete Bauteileverbund 100 im Durchlaufverfahren in einer entsprechenden Einrichtung oder innerhalb eines abgeschlossenen Raums 20 einer Flussmitteleigenschaften aufweisenden Atmosphäre 50 ausgesetzt. Die Flussmitteleigenschaften aufweisende Atmosphäre 50 wird beispielhaft, und nicht einschränkend, dadurch ausgebildet, dass in dem Raum 20 ein Trägergas, beispielsweise in Form von Stickstoff, eingeleitet wird, das mittels Ameisensäure gesättigt ist. Die Ameisensäure bewirkt insbesondere eine Reduktion gegebenenfalls vorhandener Oxidschichten an den der Lötverbindung 10 teilnehmenden Kontaktflächen. Während des Aussetzens des Bauteileverbunds 100 in der Flussmitteleigenschaften aufweisenden Atmosphäre 50 findet gleichzeitig eine Wärmebehandlung des Bauteileverbunds 100 statt.
Diese Wärmebehandlung sieht in einem ersten Zeitraum von beispielsweise fünf Minuten eine Temperatur von 200°C (bei Verwendung eines Weichlotes für die erste Schicht 11) vor, währenddessen zum einem die Flussmitteleigenschaften aufweisende Atmosphäre 50 mit dem Bauteileverbund 100 reagieren kann, und zum anderem, insbesondere wenn die optional vorgesehene, vorgeschaltete Wärmebehandlung nicht stattgefunden hat, eine Versinterung der Metallpartikel der zweiten Schicht 15 stattfinden kann. Nach dem ersten Zeitraum der Wärmebehandlung ist der Versinterungsprozess der Metallpartikel der zweiten Schicht 15 abgeschlossen, sodass deren Struktur zumindest an der Oberfläche Poren aufweist. Anschließend wird während eines zweiten Zeitraums der Wärmebehandlung die Temperatur beispielsweise auf eine Temperatur erhöht, die 10°C über den Schmelzpunkt des Materials der ersten Schicht 11 liegt, wobei der Schmelzpunkt bei Verwendung von Weichlot für die erste Schicht 11 beispielsweise zwischen 210°C und 230°C beträgt. Dadurch verflüssigt sich das Material der ersten Schicht 11 und diffundiert entsprechend der in der 4 dargestellten Pfeile 21 in der das Material bzw. die Oberfläche der die Metallpartikel enthaltene zweite Schicht 15 ein, wobei die aufgrund der Versinterung ausgebildeten Poren der zweiten Schicht 15 von dem Lotmittel der ersten Schicht 11 ausgefüllt werden und gleichzeitig die Lötverbindung 10 hergestellt wird.
Das in den 5 bis 8 dargestellte zweite erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem in den 1 bis 4 dargestellten ersten Verfahren dadurch, dass entsprechend der 5 in einem ersten Schritt zunächst die zweite Schicht 15 in Form mehrerer Bereiche 16a, 16b, 16c auf das Trägerelement 1 durch Pastendruck aufgebracht wird. Anschließend erfolgt entsprechend der 6 das Aufbringen der ersten Schicht 11 in den Bereichen 12a, 12b. Wesentlich dabei ist, dass die erste Schicht 11 eine Dicke D aufweist, die größer ist als die Dicke d der zweiten Schicht 15. Anschließend findet in einem dritten Schritt (gegebenenfalls nach einer ersten Wärmebehandlung zum Versintern der zweiten Schicht 15) das Bestücken des Trägerelements 11 mit dem Bauelement 2 statt. In dem in der 8 dargestellten darauffolgenden Schritt der Wärmebehandlung, der in Analogie zur Wärmebehandlung stattfindet, die im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, findet eine Diffusion des Materials der ersten Schicht 11 in Richtung der Pfeile 21 in das Material der zweiten Schicht 15 statt, um die versinterte Struktur der ersten Schicht 11 zu verschließen und die Lötverbindung 10 auszubilden. Bezüglich der Anordnung und Ausbildung bzw. Fläche der Bereiche 12a, 12b sowie 16a, 16b und 16c gilt das in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel Gesagte.
Bei dem in den 9 bis 12 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Aufbringen der beiden Schichten 11, 15 im Wesentlichen in Analogie zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der 5 bis 8. Beispielhaft sind jedoch eine geringere Anzahl von Bereichen 16a, 16b der zweiten Schicht 15 sowie eine größere Anzahl von Bereichen 12a, 12b, 12c der ersten Schicht 11 vorgesehen. Wesentlich ist, dass nach dem Positionieren bzw. Aufbringen des Bauelements 2 auf der ersten Schicht 11 durch gezieltes Herabdrücken in Richtung des Pfeils 22 ein Nivellieren der ersten Schicht 11 derart stattfindet, dass die erste Schicht 11 seitlich bis in Höhe der Oberseite des Bauelements 2 ragt und vorzugsweise das Bauelement 2 unmittelbar auf den Bereichen 16a, 16b der zweiten Schicht 15 aufliegt. Anschließend erfolgt in Analogie zum zweiten Ausführungsbeispiel die Wärmebehandlung, wobei das verflüssigte Material der ersten Schicht 11, verdeutlicht durch die Pfeile 21, 22, in das Material der zweiten Schicht 15 eindringt.
Das soweit beschriebene Verfahren zur Ausbildung einer Lötverbindung 10 bzw. der soweit beschriebene Bauteilverbund 100 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013218423 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung (10) zwischen einem Trägerelement (1) und wenigstens einem Bauelement (2), bei dem auf dem Trägerelement (1) zwei, vorzugsweise nebeneinander angeordnete Schichten (11, 15) aufgebracht werden, wobei die erste Schicht (15) zumindest Metallpartikel und die zweite Schicht (11) zumindest Lotmittel aufweist, und wobei das Trägerelement (1) und die beiden Schichten (11, 15) anschließend zumindest einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei der die Schicht (11) mit dem Lotmittel verflüssigt wird und in die Struktur der die Metallpartikel enthaltenden zweiten Schicht (15) eindringt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (11) flussmittelfrei ausgebildet ist, und dass die Wärmebehandlung unter einer Flussmitteleigenschaften aufweisenden Atmosphäre (50) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die zweite Schicht (15) flussmittelfrei ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schicht (11, 15) in Form einer Paste ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre (50) Ameisensäure enthält und vorzugsweise gesättigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Zeitraum während der Wärmebehandlung das Trägerelement (1) und die beiden Schichten (11, 15) der Atmosphäre (50) einer Temperatur ausgesetzt werden, die unterhalb der Schmelztemperatur der das Lotmittel enthaltenden ersten Schicht (11) liegt, wobei vorzugsweise während des ersten Zeitraums eine Versinterung der die Metallpartikel enthaltenden zweiten Schicht (15) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des ersten Zeitraums etwa 200°C beträgt und der erste Zeitraum etwa 5 min dauert.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass während eines zweiten, sich an den ersten Zeitraum anschließenden Zeitraums während der Wärmebehandlung die Temperatur zum Verflüssigen der das Lotmittel enthaltenden ersten Schicht (11) auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der das Lotmittel enthaltenden ersten Schicht (11) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (15) zusätzlich zu den Metallpartikeln Lotpulver sowie Hilfsstoffe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (11) als Weichlotpaste ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten (11, 15) zumindest im Wesentlichen ohne Überdeckung auf dem Schaltungsträger (1) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Bauelements (2) mit dem Trägerelement (1) über mehrere Bereiche (12a, 12b, 12c, 16a, 16c, 16c) erfolgt, in deren jeweils zumindest im Wesentlichen jeweils nur Material einer der beiden Schichten (11, 15) auf dem Trägerelement (1) aufgebracht wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten (11, 15) unterschiedliche Schichtdicken (d, D) aufweisen, wobei die Schicht (11, 15), die als zweite Schicht (11, 15) auf das Trägerelement (1) aufgebracht wird, eine größere Schichtdicke (D) aufweist als diejenige Schicht (15, 11), die als erste Schicht (15, 11) auf das Trägerelement (1) aufgebracht wird, und die die geringere Schichtdicke (d) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel enthaltende zweite Schicht (15) vor dem Durchführen der Wärmebehandlung getrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Positionieren des Bauelements (2) auf dem Trägerelement (1) das Bauelement (2) in Richtung des Trägerelements (1) gedrückt wird, so dass Material der ersten oder der zweiten Schicht (11, 15), vorzugsweise der ersten Schicht (11), bis in Höhe der Oberseite des Bauelements (2) gelangt.
Bauteileverbund (100), vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend ein Trägerelement (1) und wenigstens ein mit dem Trägerelement (1) über eine versinterte Metallpartikel enthaltende Schicht (15) verbundenes Bauelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteileverbund (100) keine Rückstände von Flussmittel enthält.
Bauteileverbund (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Poren der versinterte Metallpartikel enthaltende Schicht (15) von Lotmittel ausgefüllt sind.