DE102016219565A1

DE102016219565A1 - Leistungselektronikschaltung

Info

Publication number: DE102016219565A1
Application number: DE102016219565.4A
Authority: DE
Inventors: Erich Mattmann; Sabine Bergmann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12
Also published as: WO2018065483A1

Abstract

Eine Leistungselektronikschaltung (L) ist mit einem Träger (1, 2a, 2b) ausgestattet, der eine Oberfläche (O) aufweist. Auf dem Träger ist mindestens ein Leistungsbauteil (4) mittels einer durchgehenden Lotschicht (3) aufgelötet. Die Lotschicht (3) weist Abstandspartikel (3a) und Lotmasse (3b) auf. Die Abstandspartikel (3a) sind in der Lotmasse (3b) verteilt. Die Lotschicht weist eine Dicke auf, die mindestens 100 µm beträgt.

Description

Zum elektromechanischen Aufbau von Schaltungen ist es inzwischen üblich, oberflächenmontierte Bauelemente auf einer Leiterplatte durch Löten zu befestigen.
Bei Leistungsanwendungen werden häufig siliziumbasierte Halbleiterbauelemente auf Leiterbahnen eines isolierenden Trägers aufgelötet, wobei der Träger aus isolierendem Material wie Kunststoff oder insbesondere Keramik sein kann. Zum Aufbau der Leiterbahnen werden Materialien mit hoher spezifischer Leitfähigkeit verwendet, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Abhängig von der Materialpaarung, d.h. der Paarung des Bauelementmaterials und des Materials der Leiterbahn bzw. des Trägers können mechanische Spannungen entstehen, durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Gerade bei Anwendungen im Fahrzeug ergeben sich starke Temperaturschwankungen, die somit abhängig von der Materialpaarung zu starken Spannungen und insbesondere zu Ablösung führen können.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich eine Leistungselektronikschaltung auf einfache Weise realisieren lässt, die eine hohe Stabilität aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Leistungselektronikschaltung nach Anspruch 1. Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung und der 1.
Es wird vorgeschlagen, mindestens ein Leistungsbauteil einer Leistungselektronikschaltung mittels einer Lotschicht aufzulöten, die in Lotmasse verteilte Abstandspartikel aufweist und die Lotschicht, welche das mindestens eine Leistungsbauteil mit dem Träger verbindet, mindestens 100 µm dick ist. Durch die Dicke werden die Schubspannungen in der Lotschicht verringert, die durch unterschiedliche Temperaturausdehnung des Trägers und des Leistungsbauteils entstehen. Es ergibt sich eine geringere Beanspruchung bei Temperaturwechseln im Vergleich zu dünneren Lotschichten, wodurch die Zuverlässigkeit der Lotverbindung erhöht ist.
Mit den Abstandspartikeln lässt sich die Lotschicht bzw. deren Dicke auf einfache Weise und relativ präzise beim Herstellungsprozess realisieren.
Die hier beschriebene Leistungselektronikschaltung weist einen Träger auf. Der Träger umfasst insbesondere eine Isolatorschicht und mindestens eine Leiterbahnschicht. Die Isolatorschicht kann aus einem Keramikmaterial oder einem Kunststoff gefertigt sein. Die Leiterbahnen sind insbesondere Kupfer- oder Aluminiumleiterbahnen. Die Oberfläche des Trägers wird von den Oberflächen der Leiterbahnen gebildet, sowie von der Oberfläche des Isolationskörpers (an den Stellen, auf denen keine Leiterbahnen angeordnet sind). Auf dieser Oberfläche ist mindestens ein Leistungsbauteil aufgelötet mittels einer durchgehenden Lotschicht. Die durchgehende Lotschicht ist ein Vollkörper (abgesehen von einem möglicherweise auftretenden Lunker- bzw. Gasanteil von nicht mehr als 1 % und vorzugsweise nicht mehr als 1 ‰). Die durchgehende Lotschicht erstreckt sich von der Oberfläche des Trägers bis zu dem Leistungsbauteil, bzw. bis zu dessen Kontaktfläche. Die Lotschicht erstreckt sich über das gesamte Volumen, das definiert ist durch die Oberfläche des Trägers, der Kontaktfläche des Leistungsbauteils und den Seitenflächen des Volumens, die an den Außenkanten des Leistungsbauteils bzw. der Kontaktfläche beginnen und zur Oberfläche des Trägers hin fluchten. Die Abstandpartikel sind in der Lotmasse verteilt. Mit anderen Worten befindet sich in dem Raum zwischen den Abstandspartikeln Lotmasse mit einem Volumenanteil von mindestens 95 % oder 99 % oder 99,9 % (abhängig vom Lunkeranteil). Die Abstandspartikel schwimmen in der Lotmasse bzw. sind von einer durchgehenden Lotmasse umgeben. Die Lotmasse und die Abstandpartikel füllen den gesamten Bereich zwischen Leistungbauteil und Oberfläche aus.
Die Lotschicht weist einen Dicke auf, die mindestens 100 µm beträgt. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen der Oberfläche des Trägers und dem Leistungsbauteil mindestens 100 µm, wobei sich die Lotmasse entlang des gesamten Abstandes der Lotschicht erstreckt. Bei einer kaltgasgespritzen Oberfläche ergibt sich eine relativ hohe Rauigkeit, so dass eine Dicke der Lotschicht von mindestens 100 µm (vorzugsweise mindestens 200 µm oder 300 µm) zu einem Höhenaufbau führt, der sich positiv zu Gunsten der Lebensdauer auswirkt.
Die Dicke der Lotschicht beträgt mindestens 100 µm oder mindestens 200 µm und bevorzugt mindestens 250 µm oder mehr. Eine spezifische Ausführungsform sieht vor, dass die Dicke der Lotschicht mindestens 300 µm beträgt, wobei spezifische Ausführungsformen auch eine Dicke der Lotschicht von 300 µm (±10 – 25%) vorsehen.
Die Abstandspartikel sind mit einem Masseanteil von mindestens 1 % (bezogen auf die gesamte Lotschicht) in dieser vorgesehen. Vorzugsweise beträgt der Masseanteil mindestens 1,8 oder 2 %, wobei spezifische Ausführungsformen einen Masseanteil von 2 % vorsehen. Die Prozentangaben des Masseanteils können mit einer Toleranz von ±10 % bis ±25 % versehen sein.
Die Abstandspartikel sind aus einem Metall gefertigt oder weisen eine Metallbeschichtung auf. Die Abstandspartikel sind insbesondere Vollkörper. Die Abstandspartikel können insbesondere aus Kupfer oder aus einer Volllegierung gefertigt sein oder können eine Beschichtung aus einer Kupferlegierung aufweisen. Die Abstandspartikel haben eine Oberfläche, die mit Lot gut benetzbar ist, wie es etwa der Fall bei Kupfer oder Nickel ist. Die Oberfläche der Abstandspartikel kann somit aus Nickel sein oder der Abstandspartikel ist aus Nickel gefertigt. Dies gilt ebenso für Nickellegierungen.
Die Abstandspartikel haben vorzugsweise die gleiche Größe; mit anderen Worten variiert das Volumen der Abstandspartikel um nicht mehr als 50 %, bevorzugt 10 % oder besonders bevorzugt 5 %. Die Abstandspartikel sind insbesondere kugelförmig oder im Wesentlichen kugelförmig. Das Volumen der Abstandspartikel, welches von einer in den Abstandspartikeln einbeschriebenen Kugel abweicht, beträgt nicht mehr als 30 %, bevorzugt 15 % oder besonders bevorzugt 10 oder 5 % des Gesamtvolumens der Abstandspartikel. Unter „im Wesentlichen kugelförmig“ (bezogen auf die Abstandspartikel) kann bedeuten, dass das Volumen, welches von einer in den Partikel einbeschriebene Kugel abweicht, nicht mehr als 10 % oder 5 % des Gesamtvolumens des Partikels entspricht. Die Partikelgröße beträgt insbesondere mindestens 50 µm, mindestens 80 µm, mindestens 100 µm oder mindestens 120 µm. Im Falle von im Wesentlichen kugelförmigen Abstandspartikeln entspricht dies dem Kugeldurchmesser. Ferner kann dies dem Durchmesser einer Kugel entsprechen, die in das entsprechende Partikel einbeschrieben ist.
Die Partikelgröße kann eine Obergrenze haben, die beispielsweise 300, 200, 150 oder 125 µm beträgt. Vorzugsweise haben alle Abstandspartikel im Wesentlichen die gleiche Partikelgröße (entsprechend einer maximalen Abweichung der Größe aller Partikel einer Lotschicht von nicht mehr als 50%, 25%, 10% oder 5 %).
Bei einer beispielhaften, konkreten Ausgestaltung liegt der Masseanteil der Abstandspartikel in der Lotschicht bei 2 %. Die Abstandspartikel sind hierbei kugelförmig und der Kugeldurchmesser beträgt mindestens 80 µm und nicht mehr als 100 µm. Die Abstandspartikel sind hierbei aus Kupfer gefertigt. Die Lotmasse zwischen Abstandspartikeln ist ein übliches Lotmaterial, beispielsweise mit 96,5 % Zinn, 3 % Silber und 0,3 % Kupfer. Es können jedoch auch andere bleifreie Lotmassen verwendet werden, insbesondere mit einer Schmelztemperatur oder einem Schmelzbereich unter 250°C und insbesondere unter 230°C. Ferner können Lotmassen verwendet werden mit einem Zinnanteil von mindestens 90% oder 95%. Vorzugsweise werden Lotmassen mit einem Indiumanteil verwendet. Durch Indium lässt sich die Duktilität des Aufbaus erhöhen. Auch dies wirkt sich zu Gunsten der Lebensdauer aus.
Der Träger kann kaltgasgespritzt sein und insbesondere kaltgasgespritzte Schichten aufweisen. Beispielsweise kann der Träger eine kaltgasgespritzte leitende Schicht aufweisen. Diese bildet insbesondere eine Leiterbahnstruktur aus. Die kaltgasgespritzte Schicht bildet die Oberfläche. Auf dieser Oberfläche ist mindestens ein Leistungsbauteil aufgelötet. Die kaltgasgespritzte, leitende Schicht ist insbesondere eine Schicht aus Kupfer oder aus Aluminium oder aus einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung. Durch die Verwendung von kaltgasgespritzten Schichten wird die Herstellung vereinfacht. Gleichzeitig ermöglicht die, wie hier beschriebene durchgehende Lotschicht, dass die kaltgasgespritzte leitende Schicht (insbesondere an den Stellen, an denen ein Leistungsbauteil aufgelötet ist) eine Verringerung der mechanischen Spannungen, die sich durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben. Ferner ergibt sich insbesondere durch die Dicke der Lotschicht eine stabile Struktur, wobei die kaltgasgespritzte, leitende Schicht, Leiterbahnen bzw. eine Leiterbahnstruktur ausbildet.
Ferner weist der Träger vorzugsweise eine kaltgasgespritzte, elektrisch isolierende Schicht auf. Diese ist auf derjenigen Seite der leitenden Schicht angeordnet, die der Oberfläche entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten ist die kaltgasgespritzte, elektrisch leitende Schicht zwischen der elektrisch isolierenden Schicht und dem mindestens ein Bauelement angeordnet. Auf der elektrisch isolierenden Schicht ist die elektrisch leitende Schicht angeordnet, wobei auf der elektrisch leitenden Schicht die Bauelemente mittels der hier beschriebenen Lötverbindung aufgebracht sind. Die elektrisch isolierende Schicht kann alternativ als durch ein thermisches Spritzverfahren erzeugt werden wie Flammspritzen.
Es kann ferner ein Kühlkörper oder eine Wärmeabgabeschicht vorgesehen sein. Der Kühlkörper bzw. die Wärmeabgabeschicht ist elektrisch leitend und insbesondere aus Metall gefertigt. Auf dem Kühlkörper bzw. auf der wärmeleitenden Schicht ist die elektrisch isolierende Schicht aufgebracht, auf der sich wiederum die elektrisch leitende Schicht befindet. Die elektrisch isolierende Schicht befindet sich zwischen dem Kühlkörper und der leitenden Schicht. Daher können auch leitende Kühlkörper vorgesehen sein, wobei die isolierende Schicht dazu dient, dass die elektrisch leitende Schicht eine Leiterbahnstruktur ausbilden kann (und nicht von dem Kühlkörper kurzgeschlossen wird. Sowohl die elektrisch isolierende Schicht als auch die elektrisch leitende Schicht, d.h. die Leiterbahnschicht, sind insbesondere kaltgasgespritzt. Die elektrisch isolierende Schicht kann aus einem Keramikwerkstoff gefertigt sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Träger einen Kühlkörper oder eine Wärmeabgabeschicht aus Keramik oder Kunststoff aufweist, insbesondere aus einem nicht leitenden Material. Als weiteres kann der Träger eine kaltgasgespritzte, leitende Schicht aufweisen, insbesondere die Schicht, welche die Leiterbahn ausbildet. Diese ist auf dem Kühlkörper ausgebildet. Die kaltgasgespritzte, leitende Schicht bildet die Leiterbahnstruktur aus. Ferner bildet diese eine Oberfläche, auf der das mindestens eine Leistungsbauteil aufgelötet ist (mittels der hier beschriebenen Lotschicht). In diesem Fall ist keine zusätzliche, elektrisch isolierende Schicht notwendig, da der Kühlkörper selbst nicht leitet und die leitende Schicht als kaltgasgespritzte Schicht vorzugsweise direkt auf den Kühlkörper aufgebracht werden kann.
Die beigefügte 1 dient der näheren Erläuterung der hier beschriebenen Lotverbindung.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Leistungselektronikschaltung L mit einem Träger und einem Leistungsbauteil 4, das auf den Träger mittels einer Lotschicht 3 montiert ist. Der Ausschnitt A zeigt die hier beschriebene Lotverbindung näher.
Die Leistungselektronikschaltung L umfasst einen Kühlkörper 1 aus Aluminium. Auf diesem ist eine kaltgasgespritzte, isolierende Schicht 2a aufgebracht. Auf der elektrisch isolierenden Schicht 2a ist wiederum eine elektrisch leitende, kaltgasgespritzte Schicht 2b angeordnet. Der Kühlkörper 1 kann aus Aluminium gefertigt sein, wobei die Schicht 2a aus einem Keramikmaterial gefertigt sein kann und die Schicht 2b aus Kupfer hergestellt ist. Die Schichten 2a und 2b sind kaltgasgespritzt. Der Kühler 1 kann mittels eines Aluminiumgussverfahrens hergestellt sein.
Die elektrisch leitende Schicht 2b bildet (als oberste Schicht des Trägers) die Oberfläche O aus. Der Träger umfasst insbesondere die Elemente mit den Bezugszeichen 1, 2a und 2b und bildet ferner die Oberfläche O aus. Auf der Oberfläche O ist über eine Lotschicht 3 ein Leistungsbauteil 4 auf der Oberfläche O montiert. Das Bauteil 4 ist insbesondere ein Halbleiterbauteil und kann beispielsweise als gehäuster oder ungehäuster Chip vorliegen. Das Bauelement 4 kann insbesondere ein Leistungstransistor oder eine Leistungsdiode sein oder auch ein Leistungs-TRIAC.
Die Lotschicht 3 umfasst Abstandspartikel 3a, die in einer Lotmasse 3b eingebettet sind. Die 1 gibt keine Größenverhältnisse wieder; vielmehr kann die Partikelgröße der Abstandspartikel 3a kleiner sein als die Hälfte, ein Drittel oder ein Viertel der Schichtdicke der Lotschicht 3. Davon abgesehen kann die Partikelgröße mindestens einem Viertel, einem Drittel oder der Hälfte der Dicke der Lotschicht 3 entsprechen.
Die Lotschicht 3 ergibt sich durch Aufschmelzen der Lotmasse 3b, wobei die 1 ferner den üblichen Oberflächeneffekt (resultierend in einer Verjüngung der Lotschicht zum Bauteil hin) wiedergibt, der entsteht, wenn Lotmasse verflüssigt auf eine Lotfläche (entsprechend der Oberfläche O) aufgebracht wird. Es ist zu erkennen, dass das gesamte Volumen zwischen den Seitenrändern der Lotschicht vollständig ausgefüllt ist. Mit anderen Worten ist die Lotschicht 3 zwischen den Außenrändern der Lotschicht durchgehend. Zwischen den Abstandspartikeln 3a befindet sich Lotmasse. Der Raum zwischen den Abstandspartikeln ist zwischen den Außenrändern der Lotschicht vollständig mit Lotmasse 3b aufgefüllt.
Der Kühlkörper 1 ist im dargestellten Beispiel aus Aluminium. Die Lotschichtdicke beträgt ca. 300 µm. Sie entspricht dem Abstand zwischen dem Leistungsbauteil 4 und der Oberfläche O. Die Abstandspartikel 3a sind aus Kupfer. Die Abstandspartikel 3a sind ferner kugelförmig. Zudem haben die Abstandspartikel 3a eine Größe von 80 bis 100 µm, wobei dies insbesondere dem Kugeldurchmesser entspricht. Der Masseanteil der Abstandspartikel 3a innerhalb der Lotschicht 3 beträgt ca. 2 %. Das Leistungsbauteil 4 kann ein MOSFET oder ein IGBT sein. Die Leistungselektronikschaltung L ist insbesondere eine Ansteuerschaltung für einen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs oder ist eine Motorsteuerung einer elektrischen Maschine, die den Generator, den Starter oder einen Startgenerator bildet.

Claims

Leistungselektronikschaltung (L) mit einem Träger (1, 2a, 2b), der eine Oberfläche (O) aufweist, auf dem mindestens ein Leistungsbauteil (4) mittels einer durchgehenden Lotschicht (3) aufgelötet ist, wobei die Lotschicht (3) Abstandspartikel (3a) und Lotmasse (3b) aufweist und die Abstandspartikel (3a) in der Lotmasse (3b) verteilt sind und wobei die Lotschicht eine Dicke aufweist, die mindestens 100 µm beträgt.
Leistungselektronikschaltung (L) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Lotschicht mindestens 150 µm, mindestens 200µm, mindestens 250 µm oder mindestens 300µm beträgt.
Leistungselektronikschaltung (L) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abstandspartikel einem Masseanteil von mindestens 1% der Lotschicht ausmachen.
Leistungselektronikschaltung (L) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstandspartikel (3a) aus Metall gefertigt sind oder eine Metallbeschichtung aufweisen.
Leistungselektronikschaltung (L) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstandspartikel (3a) kugelförmig sind.
Leistungselektronikschaltung (L) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstandspartikel (3a) eine Partikelgröße von mindestens 50 µm, von mindestens 80 µm, von mindestens 100 µm oder von mindestens 120 µm aufweisen.
Leistungselektronikschaltung (L) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Träger eine kaltgasgespritzte, leitende Schicht (2b) aufweist, welche die Oberfläche (O) bildet, auf der das mindestens ein Leistungsbauteil (4) aufgelötet ist.
Leistungselektronikschaltung (L) nach Anspruch 7, wobei der Träger eine kaltgasgespritzte, elektrisch isolierende Schicht (2a) aufweist, die auf derjenigen Seite der leitenden Schicht (2b) angeordnet ist, die der Oberfläche (O) entgegengesetzt ist.
Leistungselektronikschaltung (L) nach Anspruch 8, wobei der Träger einen Kühlkörper (1) aus Metall aufweist, auf dem die elektrisch isolierende Schicht (2a) aufgebracht ist, die sich zwischen dem Kühlkörper (1) und der leitenden Schicht (2b) erstreckt.
Leistungselektronikschaltung (L) nach Anspruch 7, wobei der Träger einen Kühlkörper (1) aus Keramik oder Kunststoff aufweist, und der Träger ferner eine kaltgasgespritzte, leitende Schicht (2b) aufweist, welche die Oberfläche (O) bildet, auf der das mindestens eine Leistungsbauteil (4) aufgelötet ist.