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Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe, die folgende Komponenten aufweist:
einen ersten Schaltungsträger mit einer ersten Montageseite für elektronische Bauelemente,
einen zweiten Schaltungsträger mit einer zweiten Montageseite für elektronische Bauelemente, wobei der zweite Schaltungsträger mit der zweiten Montageseite der ersten Montageseite des ersten Schaltungsträgers zugewandt und mit diesem verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger eine nach außen geschlossene, insbesondere hermetisch abgedichtete Kavität ausgebildet ist, und mindestens ein elektronisches Bauelement, welches in der Kavität angeordnet und mit der ersten Montageseite und/oder mit der zweiten Montageseite verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Baugruppe.
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Baugruppen der eingangs angegebenen Art sind beispielsweise aus der
DE 10 2014 206 601 A1 bekannt. Bei dem in dieser Veröffentlichung beschriebenen Bauelement handelt es sich um ein Leistungsbauelement, welches Kontaktflächen an seiner Oberseite und seiner Unterseite aufweist. Mit der Unterseite ist das Bauelement mit einem keramischen Substrat elektrisch leitend verbunden. Ein zweiter Schaltungsträger in Form einer Haube ermöglicht die Kontaktierung auf der Oberseite des Bauelements, wobei dieser Schaltungsträger Leitpfade aufweist, die eine Kontaktierung auf dem ersten Schaltungsträger, also auf einer anderen Ebene ermöglichen. Der haubenförmige Schaltungsträger ist daher zur Ausbildung einer Kavität geeignet, in der das Bauelement zwischen den beiden Schaltungsträgern gehalten werden kann, so dass unterschiedliche Verdrahtungsebenen entstehen. Hierbei entsteht wegen des Bedarfs der Kontaktierung auf unterschiedlichen Ebenen und auf unterschiedlichen Bauteilen ein statisch überbestimmtes System, so dass für ein zuverlässiges Kontaktieren ein Toleranzausgleich gewährleistet sein muss.
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Für einen Toleranzausgleich in einer ähnlich gestalteten Baugruppe wird gemäß der
DE 10 2014 206 608 A1 eine Lösung angegeben. Der haubenförmige Schaltungsträger ist gemäß dieser Veröffentlichung aus mehreren plastisch verformbaren Lagen aufgebaut, wobei zwischen diesen Lagen auch Lagen zur Verdrahtung und Kontaktierung vorgesehen sind. Dieser Schaltungsträger kann nach Montage des Bauelements auf den ersten Schaltungsträger aufgesetzt werden und während des Lötens der Kontaktierungen mit einer Fügekraft beaufschlagt werden. Dabei verformt sich der Schaltungsträger, wobei Toleranzen gleichzeitig ausgeglichen werden. Die für das Löten erforderliche Wärme sorgt gleichzeitig dafür, dass das Material des Schaltungsträgers aushärtet, wobei gleichzeitig eine abgedichtete Kavität für das Bauelement entstehen kann.
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Weiterhin ist es aus der
US 2011/0127663 A1 bekannt, dass Bauelemente auch in einer durch eine Haube gebildetem Kavität gegen die Außenwelt abgedichtet werden können. Die Haube wird mittels eines Dichtmittels auf dem Substrat für das Bauelement befestigt, so dass die Kavität hermetisch gegen die Umgebung abgedichtet ist. Außerdem kann ein thermisches Verbindungsmaterial zwischen dem Bauelement und der Haube vorgesehen werden, so dass diese Wärme aufnehmen kann, die in dem Bauelement entsteht.
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Wie sich zeigt, sind die oben dargestellten Lösungen umso komplexer, je mehr Funktionen in die Schaltungsträger integriert werden sollen. Gleichzeitig wirft eine zuverlässige Kontaktierung aufgrund der statischen Überbestimmtheit der beschriebenen Systeme Probleme auf.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine elektronische Baugruppe, bei der das Bauelement zwischen zwei Schaltungsträgern gehalten werden und elektrisch kontaktiert werden soll, dahingehend zu verbessern und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Baugruppe dahingehend zu verbessern, dass einerseits eine zuverlässige Kontaktierung des Bauelements ermöglicht wird und andererseits eine kostengünstige Herstellung und Montage der Komponenten möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die eingangs angegebene elektronische Baugruppe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein die Kavität ringförmig umlaufender und den ersten Schaltungsträger von dem zweiten Schaltungsträger trennender Spalt von einem elektrisch leitfähigen Fügehilfsstoff ausgefüllt ist. Bei dem Fügehilfsstoff handelt es sich damit um ein Material, welches auch zur Kontaktierung des elektronischen Bauelements Verwendung findet. Insbesondere kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Fügehilfsstoff aus einem Lot oder einem Sinterwerkstoff bestehen. Typische Lotwerkstoffe und Sinterwerkstoffe der Leistungselektronik sind im Stand der Technik allgemein bekannt.
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Die Maßnahme, die genannten Werkstoffe, die beim Fügen der Baugruppe ohnehin zum Einsatz kommen, auch für die Bildung des die Kavität abschließenden Rahmens in einem Fügespalt zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger vorzusehen, hat den Vorteil, dass für die Ausbildung der Kavität während der Montage der beiden Schaltungsträger zueinander ein Toleranzausgleich ermöglicht wird. Hierdurch kann die statische Überbestimmtheit des Montagesystems, bestehend aus den beiden Schaltungsträgern und dem Bauelement und evtl. weiteren Bauelementen ausgeglichen werden. (Ist im Folgenden von beiden Schaltungsträgern die Rede, so ist immer der erste Schaltungsträger und der zweite Schaltungsträger gemeint).
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Die beiden Schaltungsträger weisen jeweils Verdrahtungen für die elektrische Kontaktierung des Bauelements und untereinander auf. Als Verdrahtungen sind jede Form von Leitpfaden zu verstehen; diese können durch Strukturierung von Metallisierungen auf der Oberfläche der Schaltungsträger sowie durch andere Leitpfade ausgebildet werden. Leitpfade können auch im Inneren der Schaltungsträger verlaufen. Durch Verwendung des Fügehilfsstoffs in dem Spalt zwischen den beiden Schaltungsträgern kann vorteilhaft nicht nur ein Toleranzausgleich erfolgen, sondern es ist auch möglich, den Niveauunterschied zwischen den beiden Schaltungsträgern zu überbrücken. Dies macht die Herstellung von Vertiefungen in der Oberfläche der Schaltungsträger oder eines der Schaltungsträger überflüssig, da der sich zwischen den beiden Schaltungsträgern ausbildende Spalt mittels des Fügehilfsstoffs auch überbrückt werden kann, wenn dieser im Wesentlichen genauso breit ist, wie das Bauelement hoch ist. Mit anderen Worten brauchen die Schaltungsträger keine unterschiedlichen Ebenen für einen Niveauausgleich zur Verfügung zu stellen (Wenn man einmal von den Niveauunterschieden absieht, die durch die Strukturierung einer elektrisch leitfähigen Oberflächenlage auf den Schaltungsträgern entsteht).
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Spalt elektrische Kontaktflächen angeordnet sind, die mit dem Fügehilfsstoff in Kontakt stehen. Hierbei macht man sich vorteilhaft zunutze, dass der Fügehilfsstoff zur Übertragung elektrischer Ströme geeignet ist. Die elektrischen Kontaktflächen sind damit Teil der durch die beiden Schaltungsträger verwirklichten Schaltung. Kontaktflächen müssen zur Aufnahme des Fügehilfsstoffs ohnehin vorgesehen werden, wobei diese vorteilhaft aus der elektrisch leitfähigen Oberflächenlage der beiden Schaltungsträger ausgebildet werden können. Die Funktion, die durch den dem Spalt überbrückenden Fügehilfsstoff übernommen werden kann, liegt beispielsweise in einer Potentialrückführung.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Spalt eine elektrisch leitfähige Ringstruktur angeordnet ist, die durch den Fügehilfsstoff einseitig mit einem der beiden Schaltungsträger oder beidseitig mit beiden Schaltungsträgern verbunden ist. Diese Ringstruktur hilft vorteilhaft, den Spalt zwischen den beiden Schaltungsträgern zu überbrücken. Hierdurch entsteht ein Restspalt zumindest zu einem der beiden Schaltungsträger, vorzugsweise je ein Restspalt zu jedem der beiden Schaltungsträger, der durch den Fügehilfsstoff ausgefüllt werden muss. Vorteilhaft ist für eine solche Verbindung weniger Fügehilfsstoff notwendig, was insbesondere auch die Überbrückung von einem Spalt mit größerer Spaltweite möglich macht. Die Ringstruktur selbst ist vorteilhaft einfach herzustellen, beispielsweise als Stanzteil aus Blech.
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Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ringstruktur dieselbe Höhe h aufweist wie das Bauteil. Hierdurch wird vorteilhaft das Fügen weiter erleichtert, da die besagten Restspalte zu den angrenzenden Schaltungsträgern genau mit den Zwischenräumen zwischen dem Bauelement und den Schaltungsträgern übereinstimmen. Die Aufbringung des Fügehilfsstoffs kann daher vorteilhaft beispielsweise durch Masken erfolgen, wobei die Höhe der aufzubringenden Depots für die Restspalte dieselbe ist wie für das Bauelement. Dies vereinfacht vorteilhaft den Fertigungs- und Montageprozess weiter.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ringstruktur aus einer Kupferlage des ersten Schaltungsträgers oder des zweiten Schaltungsträgers ausgebildet ist, wobei die Ringstruktur eine größere Höhe h aufweist als ein auf dem besagten Schaltungsträger befindliches Kontaktpad für das Bauelement. Hierbei werden unterschiedliche Höhen beispielsweise durch Strukturierung der Kupferlage des Schaltungsträgers erzeugt. Die unterschiedliche Höhe kann dadurch erzeugt werden, dass die Ringstruktur durch Aufbringen zusätzlichen Materials additiv erhöht wird oder dass das Material für das Kontaktpad subtraktiv abgetragen wird. Statt aus Kupfer kann die Lage selbstverständlich auch aus einem anderen Material hergestellt sein, wobei dieses elektrisch leitfähig sein muss. Die Herstellung der Ringstruktur aus dieser Decklage kann vorteilhaft in den Strukturierungsschritt integriert sein, der zur Herstellung der Kontaktpads für das Bauelement ohnehin erforderlich ist. Es fällt vorteilhaft daher kein zusätzlicher Fertigungsaufwand an.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Höhe der Ringstruktur unter Berücksichtigung eines zulässigen Toleranzbereichs für die Montage genau so groß ist, wie die Gesamthöhe g des aus dem auf dem Kontaktpad montierten Bauelement bestehenden Verbunds. Der Verbund besteht somit aus dem Kontaktpad, dem auf diesem aufgebrachten Fügehilfsstoff und dem Bauelement, so dass sich die noch zu kontaktierende Oberseite des Bauelements auf demselben Niveau befindet, wie die zu kontaktierende Ringstruktur. Der sich ausbildende Spalt zwischen den beiden Schaltungsträgern entspricht damit der Fügehöhe einer elektrischen Verbindung zwischen dem Bauelement und dem noch zu montierenden Schaltungsträger. Daher kann auf diesem letztgenannten Schaltungsträger der Fügehilfsstoff für das Bauelement und den Spalt mit derselben Höhe aufgetragen werden. Dies vereinfacht vorteilhaft das Montageverfahren.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass in der Kavität mindestens ein Abstandhalter vorgesehen ist, der die Höhe der Kavität aufweist. Hierdurch wird vorteilhaft sichergestellt, dass bei dem Fügen der beiden Schaltungsträger auftretende Toleranzen zuverlässig ausgeglichen werden. Am Ende des Fügevorgangs hat die Kavität die konstruktiv vorgesehene Höhe, weil der Abstandshalter während des Ausbildens der elektrischen Verbindungen verhindert, dass sich die beiden Schaltungsträger zu stark einander annähern. Besteht der Fügehilfsstoff beispielsweise aus einem Lot, wird dieses beim Fügen aufgeschmolzen, so dass sich die Schaltungsträger während des Lötprozesses zu stark aneinander annähern können. Beim Ausbilden einer Sinterverbindung zwischen dem Bauelement und/oder den Fügepartnern erfolgt aufgrund des Sintervorgangs ebenfalls eine Verringerung des Abstands der Fügepartner untereinander, wobei der Abstandshalter diese Annäherung auf das notwendige Maß begrenzen kann. Insgesamt erhöht sich damit beim Fügen die Sicherheit und damit die Qualität des Fügeergebnisses. Die Abstandshalter können beispielsweise auf einem der Schaltungsträger vormontiert werden, damit sie beim Fügen in der richtigen Position bleiben.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass für den Spalt und für eine elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement mit dem ersten Schaltungsträger und/oder mit dem zweiten Schaltungsträger derselbe Fügehilfsstoff eingesetzt wird. Dies vereinfacht die montagevorbereitenden Maßnahmen, da jeweils nur ein Fügehilfsstoff verarbeitet werden muss. Möglich ist es auch, dass insbesondere bei Verwendung einer Ringstruktur zwischen Bauelement und dem ersten Schaltungsträger und dann auch in dem entsprechenden Restspalt zwischen Ringstruktur und diesem Schaltungsträger ein erster Fügehilfsstoff und zwischen dem Bauelement und im anderen Restspalt ein zweiter Fügehilfsstoff Verwendung findet. So kann auf jedem der Schaltungsträger jeweils nur ein Fügehilfsstoff verarbeitet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger eine galvanisch von dem Spalt unabhängige Kontaktstruktur aus dem Fügehilfsstoff ausgebildet ist. Durch die galvanische Unabhängigkeit ist es vorteilhaft möglich, nicht nur in dem zu schließenden Spalt, sondern auch an anderen Stellen zwischen den beiden Schaltungsträgern eine elektrisch unabhängige Kontaktierung zu verwirklichen. Beispielsweise könnte hierdurch eine andere Potentialrückführung auf ein anderes Potential erfolgen. Auch andere Funktionalitäten, die eine direkte Kontaktierung zwischen den beiden Schaltungsträgern erfordern, sind auf diesem Wege zu verwirklichen.
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Zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die Kavität mit einem elektrisch isolierenden Füllmaterial ausgefüllt ist. Insbesondere bei einem elektronischen Bauelement der Leistungselektronik kann hierdurch eine erforderliche Isolierung zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit erreicht werden. Die Kavität stellt hierbei das auszufüllende Volumen zur Verfügung, wobei dieses Volumen entsprechend der Isolationsanforderungen geeignet angepasst werden kann.
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Weiterhin wird die oben angeführte Aufgabe durch ein Verfahren zum Fügen einer Baugruppe gelöst, die entsprechend der vorstehend gemachten Angaben gestaltet ist. Beim Fügen wird, wie bereits erwähnt, mindestens ein elektrisch leitfähiger Fügehilfsstoff, beispielsweise ein Lot oder ein Sinterwerkstoff, eingesetzt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein die Kavität ringförmig umlaufender und den ersten Schaltungsträger von dem zweiten Schaltungsträger trennender Spalt mit dem Fügehilfsstoff ausgefüllt wird, wodurch die Kavität verschlossen wird. Mit dem Fügehilfsstoff wird erfindungsgemäß gleichzeitig durch Fügen eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Schaltungsträgern hergestellt, die den Spalt überbrückt. Durch diese Maßnahme ist eine Übertragung elektrischer Ströme über diese Verbindung möglich, wodurch die bereits angesprochene Funktionsintegration gelingt, dass die zur Bildung der Kavität vorgesehene Struktur gleichzeitig zur Übertragung elektrischer Ströme geeignet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass Lagetoleranzen und/oder Maßtoleranzen der aus dem ersten Schaltungsträger, dem zweiten Schaltungsträger und dem Bauelement bestehenden Fügepartner in den mit dem Fügehilfsstoff gebildeten Kontaktstrukturen ausgeglichen werden. Maßtoleranzen können beispielsweise bei den Fügepartnern selbst auftreten. Insbesondere Höhentoleranzen sind beim Fügen auszugleichen. Maßtoleranzen können aber auch auftreten, wenn der Fügehilfsstoff in Form von Formteilen verwendet wird. Diese werden beim Fügeprozess in die zu fügenden elektrischen Verbindungen eingebracht und beim Fügen elektrisch mit den Fügepartnern verbunden. Lagetoleranzen treten auf, wenn die zu fügenden Fügepartner nicht exakt zueinander ausgerichtet sind. Lagetoleranzen können auch die Folge von Maßtoleranzen der Fügepartner sein.
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Sowohl Lagetoleranzen als auch Maßtoleranzen können vorteilhaft während des Fügens ausgeglichen werden, da der Fügehilfsstoff während des Fügens ohnehin seine Geometrie verändert. Wird als Fügehilfsstoff ein Sinterwerkstoff verwendet, so wird durch den Sinterprozess die Höhe der Fügeverbindung verringert. Die Lagetoleranzen und/oder Maßtoleranzen bewirken dabei unterschiedliche Höhen der einmal ausgebildeten elektrischen Verbindungen. Dasselbe gilt auch für das Ausbilden von Lötverbindungen. Sobald sich der Fügehilfsstoff in Form eines Lots im schmelzflüssigen Zustand befindet, kann dieser abhängig von den Toleranzen mit unterschiedlichen Höhen erstarren. Vorteilhaft lassen sich dabei auch Toleranzen im Spalt zwischen den beiden Schaltungsträgern ausgleichen. Die Überbrückung der Toleranzen erzeugt keine Spannungen in der Lötverbindung, da ein Ausgleich im schmelzflüssigen Zustand erfolgt. Ähnliches gilt auch für das Ausbilden von Sinterverbindungen, bei denen der Toleranzausgleich durch einen fügebedingten Höhenverlust aufgefangen wird, der toleranzabhängig größer oder kleiner ausfallen kann.
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Der Fügehilfsstoff muss erfindungsgemäß in einer richtigen Menge vorgesehen werden, damit ein Toleranzausgleich erfolgen kann. Die auftretenden Toleranzen dürfen dabei insgesamt ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, damit noch zuverlässige elektrische Verbindungen ausgebildet werden können.
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Um dies zu gewährleisten, kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass vor dem Fügen mit dem Fügehilfsstoff Depots hergestellt werden, die mit Rücksicht auf einen Toleranzbereich Kontaktstrukturen mit einer größeren als der konstruktiv vorgesehenen Höhe ausbilden können. Dies bedeutet, dass auch eine zuverlässige Ausbildung von Kontaktstrukturen möglich ist, wenn aufgrund von Toleranzen die Abstände zwischen den Fügepartnern zu groß ausfallen. Im Einzelnen muss abgewogen werden, wie viel mehr Fügehilfsstoff in die Fügeverbindungen eingebracht wird, da dieser bei einer Ausbildung der Kontaktstrukturen mit der konstruktiv vorgesehenen Höhe oder toleranzbedingt mit einer zu geringen Höhe aus der Fügeverbindung verdrängt wird und daher in der Baugruppe ein Puffervolumen für den Fügehilfsstoff zur Verfügung stehen muss. In jedem Fall muss ausgeschlossen werden, dass benachbarte Fügeverbindungen einander berühren, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass der Toleranzbereich hinsichtlich der Höhe der Kontaktstrukturen bei +/–20 µm bis +/–40 µm liegt. Dies bedeutet, dass die Abstände zwischen den Fügepartnern toleranzbedingt um den genannten Betrag jeweils größer oder kleiner ausfallen dürfen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Fügehilfsstoff für den Spalt zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger die Form eines rahmenförmigen Fügehalbzeugs aufweist. Dieses kann beispielsweise aus einem Stanzrahmen bestehen. Vorteilhaft ist hierbei die Dosierung der Menge des Fügehilfsstoffs besonders einfach möglich. Außerdem kann das Fügehalbzeug bei der Montage einfach zwischen den beiden Schaltungsträgern platziert werden oder auf einem der beiden Schaltungsträger vormontiert werden. Auch lässt sich das Fügehalbzeug vorteilhaft mit einer definierten Höhe herstellen, wodurch sich der bereits erwähnte Toleranzausgleich exakt einstellen lässt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 bis 3 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe im montierten Zustand jeweils in schematischem Schnitt bzw. teilweise aufgeschnitten,
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4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage der erfindungsgemäßen Baugruppe und
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5 verschiedene Zustände des Fügens der Baugruppe gemäß 4 als Ausschnitt.
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Eine elektronische Baugruppe gemäß 1 weist einen ersten Schaltungsträger 11 und einen zweiten Schaltungsträger 12 auf, wobei zwischen diesen beiden Schaltungsträgern ein elektronisches Bauelement 13 auf Kontaktpads 14 elektrisch kontaktiert ist. Hierbei kommt ein Fügehilfsstoff 15 zum Einsatz. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist zwischen dem Bauelement 13 und dem zweiten Schaltungsträger 12 eine Sinterverbindung ausgebildet und zwischen dem Bauelement 13 und dem ersten Schaltungsträger 11 eine Lötverbindung. Die Wahl des Fügewerkstoffs kann jedoch auch anders ausfallen, beispielsweise umgekehrt. Auch ist es möglich, an dem Bauelement 13 beidseitig Lötverbindungen oder beidseitig Sinterverbindungen vorzusehen. Dies gilt entsprechend auch für die in den 2 bis 5 gezeigten Beispiele, bei denen sich alle Aussagen sowohl auf die Ausbildung von Lötverbindungen als auch auf die Ausbildung von Sinterverbindungen beziehen, soweit nicht ausdrücklich eine Bezugnahme auf nur eine Verbindungsart vorgenommen wird.
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Der erste Schaltungsträger 11 und der zweite Schaltungsträger 12 sind mit einer ersten Montageseite 16 und einer zweiten Montageseite 17 einander zugewandt angeordnet, wobei sich zwischen den beiden Schaltungsträgern ein Spalt 18 ausbildet, in dem auch das Bauelement 13 angeordnet ist. In 1 ist dargestellt, dass auch die den Montageseiten 16, 17 jeweils gegenüberliegenden Seiten der Schaltungsträger 11 und 12 zur Montage von Bauteilen dienen können. Der erste Schaltungsträger 11, bei dem es sich um eine Leiterplatte handelt, weist auf der gegenüberliegenden Seite weitere Kontaktpads 19 auf, auf denen ein weiteres Bauelement 20 über weitere Lötverbindungen 21 montiert ist. Außerdem sind in dem ersten Schaltungsträger 11 wie angedeutet vergrabene Leitpfade 22 vorgesehen, die beide Seiten des ersten Schaltungsträgers 11 miteinander verbinden.
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Bei dem zweiten Schaltungsträger 12 handelt es sich um ein Keramiksubstrat (DCB), wobei an dessen gegenüberliegende Seite eine Kontaktfläche 23 für ein Kühlelement 24 vorgesehen ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn es sich bei dem Bauelement 13 um ein Bauelement der Leistungselektronik handelt, da über den zweiten Schaltungsträger eine Entwärmung durch den Kühlkörper erfolgen kann.
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Die Wahl des Materials der Schaltungsträger muss auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. 1 ist hier beispielhaft zu verstehen. Anstelle dessen ist es auch möglich, beispielsweise zwei keramische Schaltungsträger oder auch zwei Leiterplatten vorzusehen, oder die Anordnung des keramischen Substrats und der Leiterplatte gemäß 1 genau umzukehren. Dies gilt selbstverständlich auch für die Ausführungsbeispiele gemäß den 2 bis 5.
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Eine Höhe H des Spalts 18 wird durch Abstandhalter 25 definiert. Die Schaltungsträger 11, 12 sind über das montierte Bauelement 13 und zusätzlich über den Fügehilfsstoff 15 miteinander verbunden, der am äußeren Rand der Schaltungsträger 11, 12 auf ringförmig umlaufenden Kontaktflächen 26 aufgebracht ist. Dieser Fügehilfsstoff verschließt damit den Spalt 18 zwischen den Schaltungsträgern 11, 12 nach außen und bildet so eine Kavität 27, in der das Bauelement 13 untergebracht und vor Umwelteinflüssen geschützt ist. In der Kavität 27 ist zusätzlich eine Kontaktstruktur 32 auf weiteren Kontaktflächen 28 ausgebildet, welche galvanisch von dem ringförmig angeordneten Fügehilfsstoff 15 auf den Kontaktflächen 26 getrennt ist.
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In 2 ist eine ähnliche Baugruppe wie in 1 vereinfacht dargestellt. Der erste Schaltungsträger 11 und der zweite Schaltungsträger 12 sind nicht geschnitten bzw. teilweise aufgeschnitten dargestellt, im Wesentlichen aber ähnlich aufgebaut wie in 1. Dies gilt im Übrigen auch für die 3 und 4. Ein Unterschied ergibt sich beim ersten Schaltungsträger gemäß 2, da dieser Bohrungen 29 aufweist, über die ein Füllmaterial 30 aus einem Dielektrikum eingefüllt werden kann. Dieses erhöht die elektrische Durchschlagfestigkeit in der Kavität, in der das Bauelement 13 untergebracht ist.
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Ein weiterer Unterschied zu 1 ergibt sich, da in die den Spalt 18 überbrückende Verbindung der beiden Schaltungsträger 11, 12 eine rahmenartige Ringstruktur 31 eingebracht ist, die ebenso wie das Bauelement 13 die Höhe h aufweist. Das Füllmaterial 15 ist daher jeweils nur in den Restspalten jeweils oberhalb und unterhalb der Ringstruktur 31 eingebracht und jeweils mit den Kontaktflächen 26 verbunden. Damit ist die zu überbrückende Höhe im Restspalt jeweils oberhalb und unterhalb der Ringstruktur 31 genauso groß wie die Fügeverbindung, die sich zwischen dem Bauelement 13 jeweils zu den Kontaktpads 14 auf dem ersten Schaltungsträger 11 und dem zweiten Schaltungsträger 12 ergibt. Dabei ist zu bemerken, dass die Kontaktflächen 26 und die Kontaktpads 14 aus derselben Kupferlage strukturiert wurden, die jeweils an der Montageseite 16, 17 des jeweiligen Schaltungsträgers 11, 12 zur Verfügung steht. Vor der Montage der gesamten Baugruppe kann die Ringstruktur 31 zusammen mit dem Bauelement 13 auf einem der beiden Schaltungsträger 11, 12 bestückt werden, um den Montageprozess zu vereinfachen.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird die Ringstruktur 31 nicht durch ein gesondertes Bauteil ausgebildet, sondern auf dem zweiten Schaltungsträger 12 durch Strukturieren der Kupferlage prozessiert. Hierbei weist die Ringstruktur 31, die gleichzeitig die Kontaktfläche 26 bildet, eine größere Höhe auf, als die Kontaktpads 14 für das Bauelement 13. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die im ursprünglichen Zustand nicht näher dargestellte Kupferlage auf dem zweiten Schaltungsträger 12 mit einer Dicke entsprechend der Höhe h der Ringstruktur strukturiert wird und im Bereich der Kontaktpads 14 auf dem zweiten Schaltungsträger 12 abgedünnt werden. Der Betrag der Abdünnung, welche beispielsweise durch Fräsen oder Ätzen erfolgen kann, wird so gewählt, dass die Gesamthöhe g des Verbands bestehend aus den Kontaktpads 14 des zweiten Schaltungsträgers 12, dem Bauelement 13 und dem dazwischenliegenden Fügehilfsstoff 15 genau der Höhe h der Ringstruktur 31 entspricht. Dies vereinfacht die anschließende Verbindung mit dem ersten Schaltungsträger 11 über die dort vorgesehenen Kontaktpads 14 bzw. Kontaktflächen 26.
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In den 2 und 3 ist in der Kavität jeweils auch die zusätzliche Kontaktstruktur 32 vorgesehen. Diese ist jeweils genauso aufgebaut, wie die rahmenartige Verbindung zwischen den beiden Schaltungsträgern 11, 12. Dies bedeutet, dass analog zu der Ringstruktur 31 im Falle der 2 ein Zwischenstück 33 in die Kontaktstruktur 32 eingefügt wird. Im Falle der 3 weist die Kontaktfläche 28 des zweiten Schaltungsträgers 12 dieselbe Höhe h auf, wie die Ringstruktur 31.
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In
4 ist dargestellt, wie die Montage der Baugruppe erfolgen kann. Zu erkennen ist, dass auf die Kontaktflächen
26 und das Kontaktpad
14 des ersten Schaltungsträgers
11 der Fügehilfsstoff
15 in Form eines Lotmaterials beispielsweise durch Maskendruck aufgetragen wurde. Auf die Kontaktpads
14 und Kontaktflächen
26 des zweiten Schaltungsträgers
12 soll der Fügehilfsstoff
15 in Form eines Sintermaterials aufgebracht werden, wobei dieser in Form von Fügehalbzeugen
34 vorliegt. Zu erkennen ist, dass das Fügehalbzeug
34 zur Verbindung der Ringstruktur
31 ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. Außerdem ist ein weiteres Fügehalbzeug
35 zur Kontaktierung des Kühlelements
24 vorgesehen. Die einzelnen Fügeschritte sind in
4 durch Pfeile angedeutet, wobei diese mit Kleinbuchstaben a bis g bezeichnet sind und in verschiedenen Reihenfolgen durchgeführt werden können. Beispielhaft können hier folgende Fügefolgen aufgeführt werden,
wobei auch anderen Folgen möglich sind. Es zeigt sich, dass die Fügehalbzeuge wahlweise an jeden Fügepartner vormontiert werden können. Das Fügen des Kühlkörpers kann auch völlig unabhängig vom Fügen der restlichen Baugruppe erfolgen. Ein Verfestigen der Verbindungen, also Löten und/oder Sintern, je nachdem welche Materialien zum Einsatz kommen, kann in zwei Schritten oder insgesamt am Ende durchgeführt werden. Wenn Lotwerkstoff und Sinterwerkstoff verwendet wird, muss ein Sintern und ein Löten jedoch in zwei unabhängigen Fügeschritten durchgeführt werden.
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In 5 ist der Spalt 18 jeweils vor dem Fügen (Zustand A) und nach dem Fügen (Zustand B+, B, B–) dargestellt. Es ist zu erkennen, dass durch das Fügen sich der Abstand zwischen dem ersten Schaltungsträger 11 und dem zweiten Schaltungsträger 12 verringert. Die konstruktiv vorgesehene Höhe H der Kavität ist im Zustand B eingezeichnet. Allerdings kann toleranzbedingt und aufgrund der Mindestanforderungen an die elektrischen Verbindungen auch eine größere Höhe, höchstens H+ entstehen, wie dies im Zustand B+ eingezeichnet ist. Die minimal mögliche Höhe ist mit H– eingezeichnet und bildet sich im Zustand B– nach der Montage aus. Die Höhen H+ und H– ergeben sich aus dem zulässigen Toleranzbereich t für die Höhe der sich aus dem Fügehilfsstoff 15 ausbildenden elektrischen Verbindungen.
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In 5 ist exemplarisch davon ausgegangen worden, dass sich unterschiedliche Höhen H für den Spalt 18 ergeben, wodurch der Toleranzbereich t ausgenutzt wird. Hierbei handelt es sich um ein Beispiel für eine Lagetoleranz. Selbstverständlich können auch Maßtoleranzen, die in 5 nicht dargestellt werden, zu unterschiedlich hohen Kontakten aus dem Fügehilfsstoff 15 führen, wobei auch in diesem Fall der Toleranzbereich t nicht überschritten werden darf (nicht dargestellt).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206601 A1 [0002]
- DE 102014206608 A1 [0003]
- US 2011/0127663 A1 [0004]
