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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Lötverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein Verfahren zum Ausbilden einer Lötverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 34 42 537 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren dient insbesondere der Befestigung eines großflächigen Halbleiter-Bauelements auf einem als Substrat ausgebildeten Trägerelement. Das bekannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Bauelement und dem Trägerelement neben einer Lötschicht zusätzlich eine metallische Gitterstruktur angeordnet ist. Durch die metallische Gitterstruktur, die Durchgangsöffnungen in Form von Schlitzen aufweist, die von dem Material der Lötschicht beim Verlöten ausgefüllt werden, lässt sich zwischen dem Bauelement und dem Trägerelement ein definierter Abstand einstellen, so dass insbesondere ein Verkippen des Bauelements in Bezug zur Ebene des Trägerelements verhindert wird. Weiterhin zeichnet sich das bekannte Verfahren dadurch aus, dass zunächst auf dem Substrat bzw. dem Trägerelement die metallische Gitterstruktur aufgelegt bzw. angeordnet wird. Danach erfolgt das Aufbringen einer (flächigen) Lotfolie zur Ausbildung der Lötschicht auf der Gitterstruktur auf der dem Trägerelement abgewandten Seite der Gitterstruktur. Zuletzt wird das Bauelement auf die Lotfolie aufgebracht und durch ein Gewicht beschwert. Der so ausgebildete Verbund wird anschließend in einem Ofen auf die zur Ausbildung der Lötverbindung erforderliche Temperatur erwärmt, bei der das Material der Lotfolie verflüssigt wird und in die Hohl- bzw. Zwischenräume der Gitterstruktur eindringt. Dabei verringert sich gleichzeitig der Abstand zwischen dem Trägerelement und dem Bauelement derart, dass das Gitterelement an der Oberfläche des Trägerelements und des Bauelements anliegt. Dadurch, dass die Lötschicht bzw. die Lotfolie lediglich an einer Seite der Gitterstruktur (vor dem Ausbilden der Lötverbindung) angeordnet wird und die andere Seite der Gitterstruktur unmittelbar auf dem Trägerelement aufliegt, wird zwar einerseits eine plane bzw. parallele Anordnung zwischen dem Trägerelement und dem Bauelement erzielt, andererseits jedoch eine Benetzung der Gitterstruktur auf der dem Trägerelement zugewandten Seite verhindert bzw. erschwert.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden einer Lötverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die Lötverbindung verbesserte Eigenschaften aufweist. Unter verbesserten Eigenschaften werden im Rahmen der Erfindung insbesondere verbesserte Festigkeitseigenschaften verstanden. Darüber hinaus sollen die Hohlräume bzw. Zwischenräume der Gitterstruktur möglichst optimal von dem Material der Lötschicht ausgefüllt werden, um damit porenfreie Verbindungen zwischen dem Trägerelement und dem Bauelement zu ermöglichen. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der Lebensdauer sowie zu einer Erhöhung der Temperaturstabilität. Darüber hinaus hat es sich herausgestellt, dass hochfeste und hochtemperaturstabile Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Fügepartnern durch eine unmittelbare Verbindung der Fügepartner über intermetallische Phasen (gemeint sind hierbei intermetallische Phasen zwischen dem Material der Gitterstruktur und dem Lotmaterial) erzielt werden können. Es ist daher Ziel der Erfindung, zwischen den Fügepartnern eine unmittelbare Verbindung über intermetallische Phasen zu begünstigen bzw. zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Ausbilden einer Lötverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, es durch eine beidseitige Anordnung von Lötschichten in Bezug zur Gitterstruktur vor dem Ausbilden der Lötverbindung zu ermöglichen, dass die Gitterstruktur sowohl auf der dem Bauelement zugewandten Seite (wie an sich bekannt) als auch zusätzlich auf der dem Trägerelement zugewandten Seite von dem Material der Lötschicht benetzt wird. Damit werden auch zwischen dem Trägerelement und der Gitterstruktur optimierte Lötbedingungen bzw. Parameter zum Ausbilden einer optimierten Lötverbindung geschaffen, die insbesondere auch die Ausbildung einer Verbindung über höherschmelzende intermetallische Phasen umfasst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausbilden einer Lötverbindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um zu ermöglichen, dass über die gesamte Grundfläche des Bauelements zwischen den Fügepartnern eine homogene Lötverbindung ausgebildet wird, und insbesondere um auch das plane An- bzw. Aufliegen des Bauelements auf der Gitterstruktur sowie der Gitterstruktur auf dem Trägerelement zu begünstigen, wird vorgeschlagen, dass die Lötschicht und die zusätzliche Lötschicht jeweils in Form einer Lotfolie mit konstanter Dicke ausgebildet ist, wobei die Lötschichten die Gitterstruktur vollständig überdecken. Damit wird insbesondere auch eine gleichmäßige Benetzung bzw. ein vollständiges Ausfüllen der Hohl- oder Zwischenräume der Gitterstruktur ermöglicht, falls das Volumen des Materials der beiden Lötschichten wenigstens so groß ist wie das Volumen der Hohl- oder Zwischenräume in der Gitterstruktur.
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Als Gitterstruktur können unterschiedlich ausgebildete Elemente zur Anwendung kommen, die insbesondere nach Art des Einsatzes und/oder der Fügepartner ausgewählt werden. Neben geflochtenen Gitterstrukturen in Form von Metallnetzen sind insbesondere auch offenporige Metallstrukturen denkbar, wie sie bei (metallischen) Schäumen vorhanden sind. Wesentlich dabei ist lediglich, dass eine derartig ausgebildete Gitterstruktur zumindest im Wesentlichen eine konstante Dicke aufweist, damit eine parallele Anordnung des Bauelements zum Trägerelement ermöglicht wird.
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Als geeignete Materialien zur Ausbildung der Gitterstruktur haben sich insbesondere Kupfer, Nickel, Eisen, Titan oder Legierungen davon erwiesen, wobei beim Ausbilden der Lötverbindung intermetallische Phasen gebildet werden, deren Schmelztemperatur höher ist als die Schmelztemperatur der Lötschicht und der zusätzlichen Lötschicht. Durch die beim Ausbilden der Lötverbindung entstehenden intermetallischen Phasen wird die Festigkeit der Lötverbindung, insbesondere bei höheren Temperaturen, erhöht.
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Ganz wesentlich zur Erzielung der oben erwähnten optimalen Eigenschaften der Lötverbindung ist es, dass das Verhältnis zwischen der Gitterstruktur und dem Material der beiden Lötschichten speziell angepasst ist. Insbesondere ist es zur Erzielung der erwünschten Anbindung über intermetallische Phasen wesentlich, dass der Anteil des Metalls der metallischen Gitterstruktur im Verhältnis zum Anteil des Lötmaterials möglichst hoch gewählt wird, wobei gleichzeitig sichergestellt sein muss, dass so viel Lotmaterial vorhanden ist, dass die in der metallischen Gitterstruktur ausgebildeten, für das Lotmaterial zugänglichen Hohlräume bzw. Zwischenräume von dem aufgeschmolzenen Material der Lötschichten ausgefüllt werden kann. Als ganz besonders vorteilhaft hat es sich daher erwiesen, wenn das Volumen des Lots der Lötschicht und der zusätzlichen Lötschicht lediglich etwas größer, vorzugsweise maximal 10% mehr als das Volumen der Hohl- oder Zwischenräume der Gitterstruktur beträgt, das von dem Material der Lötschichten ausgefüllt werden kann.
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In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass zwischen der Gitterstruktur und dem Trägerelement sowie zwischen der Gitterstruktur und dem Bauteil nach dem Lötvorgang jeweils eine Schichtdicke des Lots von weniger als 20µm ausgebildet ist. Dies hat in vorteilhafter Art und Weise zur Folge, dass der Zwischenraum zwischen der Gitterstruktur und dem Bauteil bzw. der Gitterstruktur und dem Trägerelement vorzugsweise nahezu vollständig durch brückenartige intermetallische Phasen ausgefüllt sind, die sich festigkeitssteigernd auswirken.
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Eine weitere Optimierung der Verbindung zwischen der Gitterstruktur und den anderen Fügepartnern wird erzielt, wenn die Gitterstruktur auf der dem Trägerelement und/oder dem Bauteil zugewandten Seite zur Vergrößerung der Kontaktfläche bearbeitet ist, vorzugsweise durch Kalandern oder Schleifen. Dadurch lassen sich zusätzlich insbesondere auch plane Kontaktstellen zum jeweiligen Fügepartner an der Metallschicht bzw. Gitterstruktur sicherstellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt Verwendung bei relativ großflächigen Verbindungen zwischen dem Trägerelement und dem Bauteil. Derartige großflächige Verbindungen zeichnen sich insbesondere durch die Verwendung von Gitterstrukturen mit einer Fläche von mehr als 10mm2 aus.
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Derartig große Flächen lassen sich insbesondere auch vorrichtungstechnisch relativ einfach und hinsichtlich des Verarbeitungsprozesses sicher handhaben.
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Um einerseits die Spalte zwischen der Gitterstruktur und dem Bauteil sowie dem Trägerelement zu minimieren, und andererseits eine plane bzw. parallele Anordnung des Bauteils zum Trägerelement sicherzustellen, ist es vorgesehen, dass während des Lötprozesses eine senkrecht zur Ebene des Trägerelements und des Bauteils wirkende Anpresskraft auf die Fügepartner ausgeübt wird. Eine derartige Anpresskraft lässt sich beispielsweise durch Auflegen von Gewichten auf das Bauteil erzeugen. Ein derartiges Auflegen von Gewichten ist jedoch vorzugsweise lediglich bei geringen Stückzahlen bzw. bei Einzelteilfertigungen sinnvoll. Bei Serienfertigungen lässt sich eine derartige Anpresskraft beispielsweise auf die Oberseite des Bauteils durch geeignete Vorrichtungen erzielen.
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Bevorzugt ist darüber hinaus die Verwendung des soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung zwischen einem wärmeabgebenden Bauteil und einem Kühlkörper.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine Darstellung der an einem Lötprozess beteiligten Fügepartner in vereinfachter Darstellung,
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2 die Fügepartner gemäß 1 nach dem Ausbilden der Lötverbindung, ebenfalls im Längsschnitt,
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3 ein Detail der Lötverbindung gemäß der 2 im Bereich zwischen einem Bauteil und einem Bestandteil einer Gitterstruktur
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4 eine vereinfachte Darstellung einer in Form eines Drahtgeflechts ausgebildeten Gitterstruktur und
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5 eine vereinfachte Darstellung eines als Schaumelement ausgebildeten Gitterelements.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 sind stark vereinfacht ein in Form eines Kühlkörpers 2 ausgebildetes Bauteil 1 sowie ein Schaltungsträger 3 dargestellt, der ein Trägerelement 4 ausbildet. Der Kühlkörper 2 sowie das Trägerelement 4 weisen auf den einander zugewandten Seiten im Überdeckungsbereich jeweils eine ebene Stirnfläche 6, 7 auf.
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Zur Ausbildung einer Lötverbindung sind zwischen dem Bauteil 1 und dem Trägerelement 4 zwei flächige Lötschichten 8, 9, insbesondere in Form jeweils einer Lotfolie mit konstanter Dicke d, sowie eine metallische Gitterstruktur 10 angeordnet. Wesentlich dabei ist, dass die eine Lötschicht 8 zwischen dem Bauteil 1 und der metallischen Gitterstruktur 10 und die andere Lötschicht 9 zwischen der metallischen Gitterstruktur 10 und dem Trägerelement 4 angeordnet ist. Ferner ist anhand der Darstellung der 1 und 2 erkennbar, dass sowohl die beiden Lötschichten 8, 9 als auch die metallische Gitterstruktur 10 die Stirnfläche 6 des Trägerelements 4, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine kleinere Fläche aufweist als das Bauteil 1, vollständig überdeckt.
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Das Material der Lötschichten 8, 9 ist sowohl auf das Material der metallischen Gitterstruktur 10, als auch auf das Material des Bauteils 1 bzw. des Trägerelements 4 abgestimmt. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass das Bauteil 1 bzw. das Trägerelement 4 im Bereich ihrer Stirnflächen 6, 7 beispielsweise Kupferbeschichtungen aufweisen oder aber auf sonstige Art und Weise chemisch oder physikalisch bearbeitet sind, um die benötigte Haftung zwischen dem Material der Lötschichten 8, 9, die vorzugsweise Zinn enthalten, und den Stirnflächen 6, 7 zu ermöglichen.
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Die metallische Gitterstruktur 10 besteht bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem geflochtenen Metallgewebe 15 mit jeweils parallel zueinander angeordneten Metallfäden 16, 17. Entsprechend der Darstellung der 4 sind zwischen den einzelnen verwobenen Metallfäden 16, 17 Zwischenräume 18 ausgebildet. Anstelle eines Metallgeflechts 15 kann jedoch auch ein in der 5 dargestellter metallischer Schaum 20 verwendet werden. Der metallische Schaum 20 zeichnet sich durch Hohl- bzw. Zwischenräume 21 aus, die zumindest an seiner Oberfläche für das Material der Lötschichten 8, 9 zugänglich ist bzw. von diesen ausgefüllt werden kann. Als Material für die metallische Gitterstruktur 10 findet bevorzugt Kupfer Verwendung, jedoch sind auch andere Metalle, in Abhängigkeit von dem verwendeten Material der Lötschicht 8, 9 sowie dem Bauteil 1 und dem Trägerelement 4 denkbar.
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Nach dem Anordnen der beiden Lötschichten 8, 9 mit dazwischenliegender metallischer Gitterstruktur 10 zwischen dem Bauteil 1 und dem Trägerelement 4 entsprechend der 1 erfolgt eine Wärmebehandlung zum Ausbilden der Lötverbindung. Dabei wird der beschriebene Bauteileverbund auf eine Temperatur erwärmt, die einerseits höher ist als die Schmelztemperatur des Materials der Lötschichten 8, 9 und andererseits geringer ist als die Schmelztemperatur der metallischen Gitterstruktur 10. Das Erwärmen des Bauteileverbunds kann beispielsweise in einem Wärmeofen erfolgen. Darüber hinaus wird erwähnt, dass das Material der Lötschichten 8, 9 ggf. Flussmittel enthält, oder Flussmittel durch entsprechende Prozessschritte während der Ausbildung der Lötverbindung von außen in Wirkverbindung mit den an der Verbindung teilnehmenden Fügepartner gebracht wird. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass beispielsweise auf die Oberseite des Trägerelements 4 eine Auflagekraft F ausgeübt wird, die senkrecht zur Ebene des Trägerelements 4 bzw. des Bauteils 1 verläuft.
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Beim Erwärmen des Bauteileverbunds verflüssigt sich das Material der beiden Lötschichten 8, 9 und dringt in die zugänglichen Zwischenräume 18 des Metallgitters 15 ein, wobei die Zwischenräume 18 vollständig von dem Material der Lötschichten 8, 9 ausgefüllt werden. Hierzu ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Volumen der beiden Lötschichten 8, 9 vorzugsweise lediglich etwas, beispielsweise maximal 10% größer ist als das Volumen der durch das Material der Lötschichten 8, 9 ausfüllbaren Zwischenräume 18. Dadurch wird ein relativ hoher Anteil des Materials der metallischen Gitterstruktur 10 im Verhältnis zu den Lötschichten 8, 9 ermöglicht.
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Nach dem Ausbilden der Lötverbindung entsprechend der 2 und 3 ist das Material der Lötschichten 8, 9 in Richtung der metallischen Gitterstruktur 10 verdrängt worden, insbesondere in den Bereich der Zwischenräume 18. Dies hat zur Folge, dass zwischen den jeweiligen Metallfäden 16, 17 des Metallgeflechts 15 und den Stirnflächen 6, 7 des Bauteils 1 bzw. des Trägerelements 4 eine gegenüber der Dicke d der Lötschicht 8, 9 verringerte Schichtdicke s des Lotmaterials ausgebildet wird. Die Schichtdicke s beträgt dabei vorzugsweise maximal 20µm, wobei im Zwischenbereich zwischen der Oberfläche der Metallfäden 16, 17 und der Stirnfläche 6, 7 des Bauteils 1 bzw. des Trägerelements 4 entsprechend der Darstellung der 3 brückenartige intermetallische Phasen 25 ausgebildet werden, die die Stirnflächen 6, 7 des Bauteils 1 bzw. des Trägerelements 4 mit den metallischen Fäden 16, 17 des Metallgeflechts 15 verbinden.
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Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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