DE102016103707A1

DE102016103707A1 - Anordnung umfassend ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement und eine Leiterplatte und Verfahren zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements auf einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE102016103707A1
Application number: DE102016103707.9A
Authority: DE
Inventors: Narcis Barqueros; Shri Vishnu Kandaswamy; Michael Schmaderer
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1–8) umfassend ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement (1–4) und eine Leiterplatte (6–8), auf der das Bauelement (1–4) befestigt und elektrisch kontaktiert ist. Dabei wird das Bauelement (1–4) über an der Unterseite ausgebildete erste Kontaktstellen (4) mittels eines Lots (5) mit auf einer Oberseite der Leiterplatte (6–8) ausgebildeten zweiten Kontaktstellen (6) in Kontakt gebracht. In einem Datenblatt für das Bauelement (1–4) ist eine Größe von Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) vorgegeben. Um die Lötverbindung (5) stabiler auszugestalten, wird vorgeschlagen, dass die Fläche der zweiten Kontaktstellen (6) größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet ist und das Lot (5) auf die gesamte Fläche der zweiten Kontaktstellen (6) aufgebracht ist und die Kontaktierung mittels eines Reflow-Lötprozesses erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement und eine Leiterplatte, auf der das Bauelement befestigt und elektrisch kontaktiert ist. Das optoelektronische Bauelement weist einen Gehäusekörper mit einer Gehäusegrundfläche auf, an deren Unterseite erste Kontaktstellen angeordnet sind, die zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements mit auf einer Oberseite der Leiterplatte ausgebildeten zweiten Kontaktstellen mittels eines Lots vorgesehen sind. In einem von einem Hersteller des optoelektronischen Bauelements herausgegebenen Datenblatt ist für das optoelektronische Bauelement eine Größe von Flächen der zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte vorgegeben.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements auf einer Leiterplatte. Das optoelektronische Bauelement weist einen Gehäusekörper mit einer Gehäusegrundfläche auf, an deren Unterseite erste Kontaktstellen angeordnet sind, die zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements mit auf einer Oberseite der Leiterplatte ausgebildeten zweiten Kontaktstellen mittels eines Lots vorgesehen sind. In einem von einem Hersteller des optoelektronischen Bauelements herausgegebenen Datenblatt wird für das optoelektronische Bauelement eine Größe von Flächen der zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte vorgegeben.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist bspw. aus der DE 10 2005 017 527 A1 bekannt. Dort sind die zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte jedoch nur so groß wie in dem entsprechenden Datenblatt für die LED-Halbleiterlichtquelle vorgegeben ausgebildet. Jedenfalls können dieser Druckschrift keine gegenteiligen Informationen entnommen werden. Ferner sind in der Figur der Druckschrift Lötverbindungen gezeigt, die sich von der Oberseite der Leiterplatte weg als Lotkehlen dreidimensional nach oben erstrecken. Dadurch soll eine zusätzliche Stabilität der Lötverbindung erreicht werden, indem die auftretenden Drehmomente besser aufgenommen und abgeleitet werden können. Dies erfordert aber eine entsprechende dreidimensionale Ausgestaltung der Grundkörpers des Bauelements, so dass eine dreidimensionale Erstreckung des Lotmaterials überhaupt möglich ist. Die aus dieser Druckschrift bekannte Anordnung erfordert also umfangreiche Modifikationen an dem Halbleiterbauelement und an dem Verfahren zur Befestigung und Kontaktierung des Bauelements auf der Leiterplatte.
In Datenblättern von oberflächenmontierten (sog. Surface Mount Technology; SMT) elektronischen Bauelementen wird die Größe von Flächen der zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte vorgegeben. Am Beispiel eines LED-Chips ist in dem entsprechenden Datenblatt bspw. ein Lötpaddesign für die Oberseite der Leiterplatte, auf der der LED-Chip befestigt und kontaktiert wird, vorgegeben. Das Lötpaddesign umfasst die Anordnung, Form und Größe der Lötpads auf der Oberseite der Leiterplatte. Im Allgemeinen ist der Nutzer der LED-Chips bestrebt, die Fläche der Lötpads so klein wie möglich auszubilden, um eine platzsparende Anordnung der LED-Chips auf der Leiterplatte zu ermöglichen.
Bei SMT-Bauelementen, insbesondere bei Hochleistungs-Licht emittierenden Dioden (LEDs), führt ein Unterschied des Koeffizienten der Thermischen Ausdehnung (sog. Coefficient of Thermal Expansion; CTE) zwischen dem Substrat der Leiterplatte und dem Bauelement dazu, dass der Bereich der Lötstelle besonders anfällig für Rissbildung ist. Der häufigste Grund für einen Ausfall einer Anordnung, die eine Keramik-Hochleistungs-LED und eine Leiterplatte (sog. Printed Circuit Board; PCB) umfasst, auf der die LED befestigt und kontaktiert ist, ist die Bildung von einem oder mehreren Rissen im Bereich der Lötstelle aufgrund von thermisch mechanischen Belastungen (sog. Thermo-Mechanical Fatigue; TMF). Mit zunehmender TMF nehmen die mechanischen Spannungen auf die Lötstelle zu und führen zu einer Rissbildung und schließlich zu einem Ausfall des Bauelements, da eine sichere und zuverlässige Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements über die gerissene Lötstelle nicht mehr gegeben ist. Aber insbesondere hochleistungsoptoelektronische Bauelemente sind während ihrer Lebensdauer einer Vielzahl von TMF-Zyklen ausgesetzt. In der Automobilindustrie sind Keramik LED-Bauelemente bevorzugt, da sie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und der CTE zwischen der Keramik und dem restlichen Halbleiter-Bauelement weitgehend übereinstimmt. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede der CTE zwischen dem Keramik LED-Bauelement und dem Substrat (Substrate mit einem Metallkern aus Aluminium oder aus FR4), was zu starken mechanischen Spannungen im Bereich der Lötstellen und in der Folge zu einer kürzeren Lebensdauer der LED-Bauelemente führt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung im Bereich der Lötstellen zu verringern. Diese Maßnahmen umfassen ein sog. Reflow-Löten unter Vakuum (sog. vacuum reflow soldering) und die Verwendung von mit Epoxidharz verstärkten Materialien (sog. epoxy reinforced materials; underfill), die nach der Befestigung und Kontaktierung des Bauelements auf der Leiterplatte zwischen das Bauelement und die Leiterplatte eingebracht werden und die Lötstellen umgeben, um für eine Verstärkung zu sorgen. Diese Maßnahmen sind jedoch sehr aufwendig und teuer und erfordern mindestens einen zusätzlichen Arbeitsschritt.
Ausgehend von dem beschrieben Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Lebensdauer von auf Leiterplatten montierten optoelektronischen Bauelementen, insbesondere von Keramik hochleistungsoptoelektronischen Bauelementen, die auf einer Leiterplatte mit einem Metallkern aus Aluminium montiert werden, zu verlängern, ohne den Einsatz eines Vakuum Reflow Lötprozesses oder eines sog. Underfill-Prozesses. Zudem soll die Möglichkeit im Vergleich zu bekannten Lösungen kostengünstig und zeitsparend sein, um kurze Zykluszeiten zu ermöglichen, so dass die Möglichkeit besonders gut für den Einsatz in der Automobilindustrie geeignet ist. Schließlich soll die Realisierung der Erfindung ohne großen Aufwand in bestehenden SMT Bestückungslinien mit bestehenden SMT Bestückungsautomaten möglich sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der Anordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Fläche von mindestens einer der zweiten Kontaktstellen (Lötpads) auf der Oberseite der Leiterplatte größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet ist, wobei das Lot auf die gesamte Fläche der zweiten Kontaktstellen aufgebracht und das optoelektronische Bauelement mittels eines Reflow-Lötprozesses auf der Leiterplatte befestigt und elektrisch kontaktiert ist. Ferner schlägt die Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements auf der Leitplatte vor.
Bei der Erfindung ragen also die zweiten Kontaktstellen auf der Leiterplatte seitlich nach außen über den Footprint des optoelektronischen Bauteils hinaus, so dass sich nach dem Reflow-Prozess im Querschnitt asymmetrische Lötstellen zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte bzw. zwischen den ersten und den entsprechenden zweiten Kontaktstellen ergeben. Diese Lötstellen laufen ausgehend von den ersten Kontaktstellen des Bauteils seitlich nach außen hin, über den Footprint des Bauteils hinaus schräg aus. Nach außen hin haben die Lötstellen also keine quasi-senkrechte Begrenzungswand, sondern den beschriebenen schrägen Verlauf. Während eine quasi-senkrechte Begrenzungswand herkömmlicher Lötstellen in etwa in einem rechten Winkel zur Oberfläche der Leiterplatte stehen, laufen die Lötstellen der erfindungsgemäßen Anordnung seitlich über den Footprint des Bauteils hinaus nach außen hin mit einer schräg stehenden Begrenzungswand aus, die in einem Winkel von deutlich kleiner als 90° relativ zur Oberfläche der Leiterplatte verläuft.
Diese besondere Ausgestaltung der Lötstellen hat folgenden Vorteil: Aufgrund von Temperaturschwankungen kommt es zu Flächenänderungen (Ausdehnung, Kontraktion) der Leiterplatte und des darauf befestigten bzw. kontaktierten optoelektronischen Bauelements. Wegen der unterschiedlichen Materialien der Leiterplatte und des optoelektronischen Bauelements mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben sich unterschiedlich große Flächenänderungen bei Leiterplatte und Bauteil. Das wiederum führt zu Spannungen zwischen der Leiterplatte und dem darauf befestigten bzw. kontaktierten optoelektronischen Bauteil. Diese Spannungen sind an verschiedenen Stellen der Lötstellen unterschiedlich stark. Zum Zentrum des Bauteils hin sind die auf die Lötstellen wirkenden Spannungen kleiner und weiter weg vom Zentrum des Bauteils sind die Spannungen größer. Am äußeren Rand des Bauteils sind die Spannungen also am größten. Genau dort haben aber die Lötstellen aufgrund ihrer asymmetrischen Ausgestaltung und der seitlich radial nach außen hin schräg auslaufenden Begrenzungswände aber eine zusätzliche Stabilisierung, welche die besonders großen Spannungen dort gut aufnehmen und ableiten kann. Dadurch ergeben sich eine wesentlich bessere Stabilität der Lötstellen und eine längere Lebensdauer der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. eines mit der Anordnung versehenen elektrischen Geräts (z. B. einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung).
Im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung eine erhöhte Stabilität der Lötverbindung nicht durch eine dreidimensionale Erstreckung von Lotkehlen, sondern durch eine vergrößerte Fläche der Lötverbindung bei im Wesentlichen konstanter Dicke der Lötverbindung erreicht. Das hat den Vorteil, dass bestehende Bauelemente und Montageverfahren nicht modifiziert werden müssen.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Zuverlässigkeit von Lötstellen von SMT-Bauelementen auf Leiterplatten ohne dass ein Vakuum Reflow, ein Underfill oder ein beliebig anderer zusätzlicher Prozess erforderlich wäre. Das Verfahren kann ohne Änderung in einer bereits existierenden SMD-Montageeinrichtung implementiert werden, ohne dass der bestehende SMD-Montageprozess verändert werden müsste. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Fläche der Lötpads vergrößert wird und Lotmaterial auf die gesamte vergrößerte Fläche des Lötpads aufgebracht wird, wobei das Bauelement abhängig von seinem Footprint nur auf einem Teil der Lötstelle befestigt wird. Die Lötpads auf der Oberseite der Leiterplatte werden also deutlich größer als die Grundfläche des optoelektronischen Bauelements gewählt. Das zusätzliche, über die Grundfläche des Bauelements seitlich überstehende Lotmaterial bietet eine mechanische Stabilisierung und Stütze der Lötstellen, wodurch die mechanischen Spannungen und der thermische Widerstand im Bereich der Lötstelle verringert werden. Im Ergebnis führt die Erfindung zu einer verlängerten Lebensdauer der Lötstellen und damit des gesamten optoelektronischen Bauteils und einer mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgestatteten Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von LED und Leiterplatte führen dazu, dass aufgrund der thermischen Deformation die Spannungen innerhalb der Lötstellen zur Bauteilaußenseite hin größer werden. Durch die erfindungsgemäß veränderte Geometrie der Lötstellen, insbesondere durch die zur Bauteilaußenseite hin durch Materialverdickung in Richtung der Flächenerstreckung der Leiterplatte, in der Fläche verstärkten Lötverbindungen, ergibt sich ein günstigerer Verlauf der Spannungen innerhalb der Lötstelle, was dann wiederum die Entstehung von Rissen reduziert. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lötverbindungen führt zu einer zur Bauteilaußenseite hin ausgedehnten bzw. sich von der Außenseite des Bauteils radial nach außen vom Bauteil weg erstreckenden größeren Flächenerstreckung der Lötstellen und sorgt für eine verbesserte Kompensation der insbesondere an der Bauteilaußenseite auftretenden Drehmomente.
Zur Vergrößerung der Flächen der zweiten Kontaktstellen auf der Leiterplatte werden die Abmessungen der Kontaktstellen gegenüber herkömmlichen Anordnungen in mindestens einer Richtung vergrößert. So kann die Länge und/oder die Breite der Kontaktstellen vergrößert werden. Wenn bspw. die effektive Länge (L_eff) der Fläche einer Lötstelle auf der Oberseite der Leiterplatte vergrößert wird, werden die auf die Lötstelle wirkenden mechanischen Spannungen auf eine größere Fläche verteilt. Da die effektive Länge (L_eff) der Lötstelle vergrößert wird, nimmt die auf die Lötstelle wirkende Deformation (ε) aufgrund von TMF gemäß nachfolgender Gleichung (1) ab, wobei l die endgültige Länge nach einer Ausdehnung aufgrund von TMF ist:
Aufgrund der Verringerung der Deformation nehmen auch die auf die Lötstelle wirkenden Spannungen (σ) gemäß nachfolgender Gleichung (2) ab, wobei mit E das Elastizitätsmodul oder E-Modul des Lotmaterials bezeichnet ist: Spannung (σ) = ε × E (2)
Die Dicke (d) der Lötstelle bleibt gegenüber herkömmlichen Anordnungen gleich, aber durch die Vergrößerung der Länge L_eff des Lötpads wird auch die Fläche A, über die sich das Lotmaterial verteilt, vergrößert. Dadurch ergibt sich ein verringerter thermischer Widerstand (R_th) gemäß nachfolgender Gleichung (3), wobei mit k die Wärmeleitfähigkeit des Lotmaterials bezeichnet ist: Therm. Wid. R_th = d / A × k (3)
Aufgrund der größeren Länge L_eff der zweiten Kontaktstellen auf der Oberfläche der Leiterplatte, muss sich ein Riss über eine größere Strecke weiterentwickeln, damit die Lötstelle vollständig gerissen ist. Dadurch ergibt sich eine längere Lebensdauer der erfindungsgemäßen Anordnung.
Um trotz der vergrößerten Lötpads auf der Oberseite der Leiterplatte und der darauf aufgetragenen größeren Menge an Lotmaterial zu verhindern, dass bei einem Reflow-Lötprozess das Lotmaterial aneinander grenzender Lötpads ineinander fließt und einen Kurzschluss bildet, wird vorgeschlagen, geeignete Lötstop-Mittel zu verwenden. Diese Lötstop-Mittel können bspw. in Form einer Lötstop-Abdeckung oder eines Lötstop-Lacks vorgesehen sein.
Ein weiterer Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass die Bauelemente nicht – wie bisher üblich – zentral, sondern dezentral auf den Lötpads angeordnet sind. Genauer gesagt sind die ersten Kontaktstellen des optoelektronischen Bauelements nicht mehr zentral auf den zweiten Kontaktstellen der Leiterplatte angeordnet. Auch in den Datenblättern der bekannten LEDs wird von einer zentralen Anordnung der ersten Kontaktstellen des Bauelements auf den Lötpads ausgegangen. Die dezentrale Anordnung der Bauelemente auf den Lötpads ist eine unmittelbare Folge der Vergrößerung der Fläche von mindestens einer der zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte, wohingegen die Größe des Bauelements und damit die Position und Fläche der ersten Kontaktstellen unverändert bleibt. Diese dezentrale Anordnung der ersten Kontaktstellen bezüglich der zweiten Kontaktstellen führt auch zu der im Querschnitt asymmetrischen Ausgestaltung der Lötverbindungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Flächen der zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte mindestens 20% größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind die Flächen der zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte etwa 50% größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet. Eine derart vergrößerte Fläche der Lötstellen auf der Leiterplatte führt in der Praxis zu optimalen Ergebnissen. Die Lötstellen können mit den herkömmlichen Prozessen, z. B. einem Reflow-Lötprozess, erzeugt werden, ohne dass der bestehende Prozess verändert werden müsste. Gleichzeitig bewirkt die vorgeschlagene Vergrößerung der Lötstellen um das beanspruchte Maß eine deutliche Verbesserung der Haltbarkeit der Lötstelle und Lebensdauer der Anordnung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das optoelektronische Bauelement mindestens einen strahlungsemittierenden und/oder strahlungsempfangen Halbleiterchip umfasst. Als ein strahlungsemittierender Halbleiterchip kann bspw. eine LED verwendet werden. Derartige Halbleiterchips sind während ihres Betriebs besonders großen Temperaturschwankungen ausgesetzt, so dass die Vorteile der Erfindung bei solchen Bauelementen besonders zum Tragen kommen. Zudem kann durch die Verlängerung der Lebensdauer solcher Halbleiter-Bauelemente die Verkehrssicherheit eines Kraftfahrzeugs, das mit einer Beleuchtungseinrichtung mit einem solchen Halbleiterchip ausgestattet ist, erhöht werden, da ein Ausfall der Beleuchtungseinrichtung während der Lebensdauer des Kraftfahrzeugs unwahrscheinlicher ist. Die Beleuchtungseinrichtung kann ein Scheinwerfer oder eine beliebige Leuchte des Kraftfahrzeugs sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn das optoelektronische Bauelement mindestens eine Hochleistungs-Keramik-LED umfasst.
Schließlich wird vorgeschlagen, dass die Leiterplatte einen Metallkern auf Aluminiumbasis aufweist. Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere bei Hochleistungs-Keramik-LEDs zum Tragen, wenn diese auf einer Leiterplatte mit einem Metallkern, insbesondere mit einem Aluminiumkern, montiert sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
2 einen Ausschnitt der Anordnung aus 1;
3 vorgegebene Anordnung, Form und Abmessungen von Lötpads auf der Oberseite einer Leitplatte gemäß dem Datenblatt für eine LED eines ersten Typs mit isoliertem Wärmeleitpad;
4 eine Vergrößerung der Fläche von zwei der Lötpads der LED aus 3;
5 eine Vergrößerung der Fläche eines anderen Lötpads der LED aus 3;
6 eine Vergrößerung der Fläche aller Lötpads der LED aus 3;
7 vorgegebene Anordnung, Form und Abmessungen von Lötpads auf der Oberseite einer Leitplatte gemäß dem Datenblatt für eine LED eines zweiten Typs ohne Wärmeleitpad; und
8 eine Vergrößerung der Fläche der Lötpads der LED aus 7.
Die Erfindung geht aus von an sich aus dem Stand der Technik bekannten oberflächenmontierten (sog. Surface Mount Technology; SMT) elektronischen Bauelementen. Diese umfassen bspw. mindestens einen strahlungsemittierenden und/oder strahlungsempfangen Halbleiterchip. Insbesondere können die oberflächenmontierten elektronischen Bauelemente mindestens eine Hochleistungs-Keramik-LED umfassen. Das optoelektronische Bauelement weist einen Gehäusekörper mit einer Gehäusegrundfläche auf, an deren Unterseite erste Kontaktstellen angeordnet sind. Diese sind zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements mit auf einer Oberseite einer Leiterplatte ausgebildeten zweiten Kontaktstellen mittels eines Lots vorgesehen. Die Kontaktstellen werden auch als Lötpads bezeichnet. In einem von einem Hersteller des optoelektronischen Bauelements herausgegebenen Datenblatt ist für das jeweilige optoelektronische Bauelement eine Anordnung, Form und Größe von Flächen der zweiten Kontaktstellen auf der Oberseite der Leiterplatte vorgegeben.
Bei SMT-Bauelementen, insbesondere bei Hochleistungs-Licht emittierenden Dioden (LEDs), führt ein Unterschied des Koeffizienten der Wärmeausdehnung (sog. Coefficient of Thermal Expansion; CTE) zwischen dem Substrat der Leiterplatte und dem Bauelement dazu, dass der Bereich der Lötstelle besonders anfällig für Rissbildung ist. Der häufigste Grund für einen Ausfall einer Anordnung umfassend eine Keramik-Hochleistungs-LED und eine Leiterplatte (sog. Printed Circuit Board; PCB), auf der die LED befestigt und kontaktiert ist, ist die Bildung von einem oder mehreren Rissen im Bereich der Lötstelle aufgrund von thermisch mechanischen Belastungen (sog. Thermo-Mechanical Fatigue; TMF). Mit zunehmender TMF nehmen die mechanischen Spannungen auf die Lötstelle zu und führen zu einer Rissbildung und schließlich zu einem Ausfall des Bauelements, da eine sichere und zuverlässige Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements über die gerissene Lötstelle nicht mehr gegeben ist. Aber insbesondere hochleistungsoptoelektronische Bauelemente sind während ihrer Lebensdauer einer Vielzahl von TMF-Zyklen ausgesetzt.
In der Automobilindustrie sind Keramik LED-Bauelemente bevorzugt, da sie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und der CTE zwischen der Keramik und dem restlichen Halbleiter-Bauelement weitgehend übereinstimmt. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede der CTE zwischen dem Keramik LED-Bauelement und dem Substrat (Substrate mit einem Metallkern aus Aluminium oder aus FR4), was zu starken mechanischen Spannungen im Bereich der Lötstellen und in der Folge zu einer kürzeren Lebensdauer der LED-Bauelemente führt.
3 zeigt bspw. ein Lötpaddesign für eine LED vom ersten Typ mit elektrisch isoliertem Wärmeleitpad (großes Rechteck in der Figur). Dieser Typ von LED benötigt insgesamt drei zweite Kontaktstellen auf der Leiterplatte, über die die LED auf der Leiterplatte befestigt und kontaktiert wird. Die beiden oberen Kontaktstellen 11, 12 haben laut Datenblatt jeweils eine Abmessung von A × X. Für eine untere Kontaktstelle 13 ist eine Abmessung von Y × Z vorgegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Fläche von mindestens einem der Lötpads 11, 12, 13 zu vergrößern, damit Spannungen in der dort vorgesehenen Lötstelle über eine größere Fläche verteilt werden und die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung verringert wird. Während des Betriebs der LED kann es aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des LED-Bauelements und der Leiterplatte zu Spannungen in dem Lotmaterial kommen, welches das Bauelement und die Leiterplatte miteinander verbindet.
In 4 sind die Flächen der beiden oberen zweiten Kontaktstellen 11, 12 vergrößert. In dem Beispiel wurde die Fläche sowohl in ihrer Länge X als auch in ihrer Breite A vergrößert, so dass die Fläche nun 2X × 2A beträgt gegenüber der in dem Datenblatt vorgegebenen Fläche X × A. Die vergrößerten Kontaktstellen sind mit den Bezugszeichen 11' und 12' bezeichnet. Die untere Kontaktstelle 13 bleibt in ihrer Größe unverändert gegenüber der Vorgabe in dem Datenblatt.
In 5 bleiben die Flächen der beiden oberen zweiten Kontaktstellen 11, 12 in ihrer Größe unverändert gegenüber der Vorgabe in dem Datenblatt. Die Fläche der unteren Kontaktstelle 13 wurde dagegen vergrößert. In dem Beispiel wurde die Fläche sowohl in ihrer Länge Y als auch in ihrer Breite Z vergrößert, so dass die Fläche nun (Z + 2A) × 2Y beträgt gegenüber der in dem Datenblatt vorgegebenen Fläche Z × Y. Die vergrößerte Kontaktstelle ist mit den Bezugszeichen 13' bezeichnet.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem sowohl die Flächen der beiden oberen zweiten Kontaktstellen 11, 12 als auch die Fläche der unteren Kontaktstelle 13 vergrößert wurden. In dem dargestellten Beispiel wurden die Flächen der oberen Kontaktstellen 11, 12 sowohl in ihrer Länge X als auch in ihrer Breite A vergrößert, so dass die Fläche nun 2X × 2A beträgt gegenüber der in dem Datenblatt vorgegebenen Fläche X × A. Ferner wurde in dem Beispiel die Fläche der unteren Kontaktstelle 13 sowohl in ihrer Länge Y als auch in ihrer Breite Z vergrößert, so dass die Fläche nun (Z + 2A) × 2Y beträgt gegenüber der in dem Datenblatt vorgegebenen Fläche Z × Y. Das Beispiel aus 6 vereint also die vorangegangenen Beispiele aus den 4 und 5. In dem Beispiel aus 6 sind die Flächen von allen zweiten Kontaktstellen 11, 12, 13 auf der Oberseite der Leiterplatte im Sinne der vorliegenden Erfindung vergrößert.
7 zeigt ein weiteres Beispiel eines Lötpaddesigns für einen zweiten Typ von LED ohne Wärmeleitpad. Dieser Typ von LED benötigt insgesamt zwei zweite Kontaktstellen 14, 15 auf der Leiterplatte, über die die LED auf der Leiterplatte befestigt und kontaktiert wird. Die beiden Kontaktstellen 14, 15 haben laut Datenblatt jeweils eine Länge B und eine Breite A, mithin eine Abmessung von A × B.
In 8 sind die Flächen der beiden zweiten Kontaktstellen 14, 15 vergrößert. In dem Beispiel wurden die Flächen sowohl in ihrer Länge B als auch in ihrer Breite A vergrößert, so dass die Flächen nun jeweils 2A × 2B betragen gegenüber der in dem Datenblatt vorgegebenen Fläche A × B. Die vergrößerten Kontaktstellen sind mit den Bezugszeichen 14' und 15' bezeichnet.
Selbstverständlich wäre es auch denkbar, die Flächenvergrößerung der Kontaktstellen 11 bis 15 dadurch zu erreichen, dass die Fläche einer oder mehrerer Kontaktstellen 11 bis 15 nur entweder in der Länge oder in der Breite vergrößert wird.
Die Vergrößerung der Flächen der Kontaktstellen 11 bis 15 beträgt mindestens 20% gegenüber der von dem jeweiligen Datenblatt vorgegebenen Fläche. Besonders bevorzugt wird die Fläche um etwa 50% gegenüber der Vorgabe aus dem Datenblatt vergrößert.
Wenn bspw. bei der LED vom ersten Typ mit isoliertem Wärmeleitpad laut Datenblatt die Abmessungen der oberen beiden Kontaktstellen 11, 12 die Länge X = 0,90 mm und die Breite A = 0,70 mm beträgt und die Abmessungen der unteren Kontaktstelle 13 die Länge Y = 0,90 mm und die Breite Z = 1,65 mm beträgt, ergeben sich vorgegebene Flächen von 0,63 mm² bzw. 1,485 mm². Für die vergrößerten Flächen der beiden oberen Kontaktstellen 11', 12' ergeben sich bei den Beispielen aus den 4 und 6 dann 2,52 mm². Das entspricht einer Vergrößerung um 400%. Für die vergrößerten Flächen der unteren Kontaktstelle 13' ergibt sich bei den Beispielen aus den 5 und 6 dann 2,745 mm². Das entspricht einer Vergrößerung von etwa 185%.
Wenn bspw. bei der LED vom zweiten Typ ohne Wärmeleitpad laut Datenblatt die Abmessungen der Kontaktstellen 14, 15 die Länge B = 0,6 mm und die Breite A = 0,2 mm beträgt, ergeben sich vorgegebene Flächen von 0,12 mm². Für die vergrößerten Flächen der beiden Kontaktstellen 14', 15' ergeben sich bei dem Beispiel der 8 dann 0,48 mm², was einer Vergrößerung von 400% entspricht.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Dabei ist ein LED-Chip mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Dieser ist auf einem Trägermaterial 3, bspw. aus Keramik, aufgebracht. Über dem LED-Chip 2 erstreckt sich ein Konvertermaterial 1, welches die von dem LED-Chip 2 ausgesandte Strahlung, bspw. in Form von blauem Licht, zumindest teilweise in Strahlung einer anderen Wellenlänge, bspw. gelbes Licht, umwandelt. Eine Überlagerung des nicht konvertierten blauen Lichts und des konvertierten gelben Lichts ergibt weißes Licht, das von der Anordnung ausgesandt wird. An der Unterseite des Trägermaterials 3 sind erste Kontaktstellen 4 angeordnet, von denen in 1 zwei zu erkennen sind. Die Anordnung kann nur die zwei Kontaktstellen 4 oder noch weitere Kontaktstellen aufweisen, die in 1 nicht dargestellt sind. Das oberflächenmontierbare optoelektronische Halbleiterbauelement umfasst die Bauteile 1 bis 4.
Ferner ist in 1 eine Leiterplatte dargestellt, auf der das optoelektronische Bauelement 1 bis 4 befestigt und kontaktiert ist. Die Leiterplatte umfasst vorzugsweise einen Kern (Substrat) 8 aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium. Auf diesem ist eine dielektrische Schicht 7 aufgebracht, auf der wiederum Leiterbahnen und zweite Kontaktstellen 6, vorzugsweise aus Kupfer, aufgebracht sind. Die Leiterplatte umfasst die Bauteile 6 bis 8. Über eine Schicht 9 aus einem thermisch leitfähigen Material ist die Leiterplatte 6 bis 8 auf einem Kühlkörper 10 befestigt.
Das Halbleiterbauelement 1 bis 4 ist mittels Lötverbindungen 5 auf der Leiterplatte 6 bis 8 befestigt. Dabei sind die ersten Kontaktstellen 4 an der Unterseite des Bauelements 1 bis 4 über die Lötverbindungen 5 mit den zweiten Kontaktstellen 6 auf der Oberseite der Leiterplatte 6 bis 8 elektrisch kontaktiert. Die Flächen der zweiten Kontaktstellen 6 auf der Oberseite der Leiterplatte 6 bis 8 sind größer ausgebildet als von dem Datenblatt für das Bauelement 1 bis 4 vorgegeben. Das Lotmaterial wird auf die gesamte vergrößerte Fläche der zweiten Kontaktstellen 6 aufgebracht und das optoelektronische Bauelement 1 bis 4 mittels eines Reflow-Lötprozesses auf der Leiterplatte 6 bis 8 befestigt und elektrisch kontaktiert.
Durch die vergrößerten Flächen der zweiten Kontaktstellen 6 ergibt sich eine besonders großflächige Lötverbindung 5, welche für eine sichere, zuverlässige und langfristige Befestigung und Kontaktierung des Bauelements 1 bis 4 auf der Leiterplatte 6 bis 8 sorgt. Insbesondere kann die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung im Bereich der Lötstellen 5 aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramik Trägermaterials 3 des Halbleiterbauelements 1 bis 4 einerseits und des Metallkerns 8 der Leiterplatte 6 bis 8 andererseits deutlich verringert werden, so dass die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Anordnung erhöht wird.
2 zeigt einen Ausschnitt der Anordnung aus 1. Dabei ist die effektive Länge der Lötverbindung zwischen dem Bauelement 1 bis 4 und der Leiterplatte 6 bis 8 mit L_eff bezeichnet.
Wenn bspw. die effektive Länge L_eff der Fläche 6 einer Lötstelle 5 auf der Oberseite der Leiterplatte 6 bis 8 vergrößert wird, werden die auf die Lötstelle 5 wirkenden mechanischen Spannungen auf eine größere Fläche verteilt. Da die effektive Länge L_eff der Lötstelle 5 vergrößert wird, nimmt die auf die Lötstelle 5 wirkende Deformation ε aufgrund von TMF gemäß nachfolgender Gleichung (1) ab, wobei l die endgültige Länge nach einer Ausdehnung aufgrund von TMF ist:
Aufgrund der Verringerung der Deformation nehmen auch die auf die Lötstelle 5 wirkenden Spannungen σ gemäß nachfolgender Gleichung (2) ab, wobei mit E das Elastizitätsmodul oder E-Modul des Lotmaterials bezeichnet ist: Spannung (σ) = ε × E (2) Die Dicke d der Lötstelle 5 bleibt gegenüber herkömmlichen Anordnungen gleich, aber durch die Vergrößerung der Länge L_eff des Lötpads 6 wird auch die Fläche A, über die sich das Lotmaterial verteilt, vergrößert. Dadurch ergibt sich ein verringerter thermischer Widerstand R_th gemäß nachfolgender Gleichung (3), wobei mit k die Wärmeleitfähigkeit des Lotmaterials bezeichnet ist: Therm. Wid. R_th = d / A × k (3)
Aufgrund der größeren Länge L_eff der zweiten Kontaktstellen 6 auf der Oberfläche der Leiterplatte 6 bis 8, muss sich ein Riss über eine größere Strecke weiterentwickeln, damit die Lötstelle 5 vollständig gerissen ist. Dadurch ergibt sich eine längere Lebensdauer der erfindungsgemäßen Anordnung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005017527 A1 [0003]

Claims

Anordnung (1–8) umfassend ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement (1–4) und eine Leiterplatte (6–8), auf der das Bauelement (1–4) befestigt und elektrisch kontaktiert ist, wobei das optoelektronische Bauelement (1–4) einen Gehäusekörper mit einer Gehäusegrundfläche aufweist, an deren Unterseite erste Kontaktstellen (4) angeordnet sind, die zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements (1–4) mit auf einer Oberseite der Leiterplatte (6–8) ausgebildeten zweiten Kontaktstellen (6) mittels eines Lots (5) vorgesehen sind, und wobei in einem von einem Hersteller des optoelektronischen Bauelements (1–4) herausgegebenen Datenblatt für das optoelektronische Bauelement (1–4) eine Größe von Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche von mindestens einer der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet ist, wobei das Lot (5) auf die gesamte Fläche der zweiten Kontaktstellen (6) aufgebracht und das optoelektronische Bauelement (1–4) mittels eines Reflow-Lötprozesses auf der Leiterplatte (6–8) befestigt und elektrisch kontaktiert ist.
Anordnung (1–8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) mindestens 20% größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet sind.
Anordnung (1–8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) etwa 50% größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet sind.
Anordnung (1–8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optoelektronische Bauelement (1–4) mindestens einen strahlungsemittierenden und/oder strahlungsempfangen Halbleiterchip (2) umfasst.
Anordnung (1–8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optoelektronische Bauelement (1–4) mindestens eine Hochleistungs-Keramik-LED umfasst.
Anordnung (1–8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (6–8) einen Metallkern (8) auf Aluminiumbasis aufweist.
Verfahren zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements (1–4) auf einer Leiterplatte (6–8), wobei das optoelektronische Bauelement (1–4) einen Gehäusekörper mit einer Gehäusegrundfläche aufweist, an deren Unterseite erste Kontaktstellen (4) angeordnet sind, die zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements (1–4) mit auf einer Oberseite der Leiterplatte (6–8) ausgebildeten zweiten Kontaktstellen (6) mittels eines Lots (5) vorgesehen sind, und wobei in einem von einem Hersteller des optoelektronischen Bauelements (1–4) herausgegebenen Datenblatt für das optoelektronische Bauelement (1–4) eine Größe von Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet werden, wobei das Lot (5) auf die gesamte Fläche der zweiten Kontaktstellen (6) aufgebracht und das optoelektronische Bauelement (1–4) mittels eines Reflow-Lötprozesses auf der Leiterplatte (6–8) befestigt und elektrisch kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) mindestens 20% größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der zweiten Kontaktstellen (6) auf der Oberseite der Leiterplatte (6–8) etwa 50% größer als in dem Datenblatt vorgegeben ausgebildet werden.