DE102016225239A1

DE102016225239A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente und elektronische Komponente

Info

Publication number: DE102016225239A1
Application number: DE102016225239.9A
Authority: DE
Inventors: Fabian Ganzer; Bernhard Schuch; Thomas Schmidt; Karin Beart; Michael Novak; Martin Steinau
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente (E), bei dem ein Schaltungsträger (1) mit einem elektrischen Leiterelement (2) elektrisch leitend verbunden wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das elektrische Leiterelement (2) und der Schaltungsträger (1) mittels eines Lötprozesses unter Verwendung eines eine Lötlegierung enthaltenden Lötpulvers (3) miteinander gefügt werden.Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Komponente (E).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Komponente.
Elektronische Komponenten sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Elektronische Komponenten umfassen beispielsweise elektronische Baugruppen, die auf einem Schaltungsträger zu einer elektrischen Schaltungsanordnung zusammengeführt sind. Zur Herstellung einer solchen elektronischen Komponente wird der Schaltungsträger mit einem elektrischen Leiterelement, z. B. ein metallisches Stanzgitter, elektrisch leitend verbunden, welches der Kontaktierung der elektrischen Schaltungsanordnung dient.
Die elektrisch leitende Verbindung des elektrischen Leiterelements mit dem Schaltungsträger kann beispielsweise mittels Drahtbonden, insbesondere mittels Dickdraht-Bonden, erfolgen. Beim Drahtbonden wird eine mechanisch flexible Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und dem elektrischen Leiterelement mittels eines Drahts hergestellt. Als Draht wird beispielsweise ein Dickdraht, z. B. ein Aluminiumdickdraht, mit einem Durchmesser zwischen 125 µm und 500 µm verwendet. Für das Bonden von Aluminiumdrähten ist das sogenannte Ultraschall-Wedge-Wedge-Verfahren bekannt.
Mittels Drahtbonden können Unebenheiten und Bewegungen des elektrischen Leiterelements bis zu einem bestimmten Grad kompensiert werden. Jedoch ist eine Stromtragfähigkeit der verwendeten Drähte aufgrund derer geringer Durchmesser sehr begrenzt. Des Weiteren können bei zwei räumlich getrennten Baugruppenkomponenten, die mittels Drahtbonden elektrisch leitend miteinander verbunden werden, aufgrund von Schwingungen und Vibrationen des elektrischen Leitungselements während des Bondprozesses, mechanisch geschwächte oder vollständig kontaktlose Bondverbindungen resultieren.
Alternativ zum Drahtbonden ist es bekannt, die elektrisch leitende Verbindung des elektrischen Leiterelements mit dem Schaltungsträger mittels eines sogenannten Konvektions-Reflow-Lötprozesses, auch bekannt als Wiederaufschmelzlöten, unter Verwendung einer flussmittelhaltigen Lötpaste herzustellen. Die Lötpaste kann beispielsweise über einen Druck- oder einen Dispensprozess aufgebracht werden.
Lötpasten haben üblicherweise einen hohen Flussmittelanteil und hinterlassen dadurch Verunreinigungen oder Rückstände, die mittels eines nachfolgenden Reinigungsprozesses entfernt werden müssen. Wird das elektrische Leiterelement auf ein bereits mit Bauteilen bestücktes Substrat gelötet, kann dies den Reinigungsprozess erheblich erschweren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente und eine verbesserte elektronische Komponente anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der elektronischen Komponente wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente wird ein Schaltungsträger mit einem elektrischen Leiterelement, z. B. ein metallisches Stanzgitter, elektrisch leitend verbunden. Die elektronische Komponente ist beispielsweise zur Anordnung in einem Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, z. B. in einem Getriebesteuergerät, vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das elektrische Leiterelement und der Schaltungsträger mittels eines Lötprozesses unter Verwendung eines eine Lötlegierung enthaltenden Lötpulvers miteinander gefügt werden.
Mittels des Verfahrens können das elektrische Leiterelement und der Schaltungsträger ohne die Verwendung eines Löse- und Flussmittels und somit rückstandsfrei miteinander gefügt werden. Zudem ist das elektrische Leiterelement gegenüber dem Drahtbonden während der Herstellung der elektronischen Komponente keinen mechanischen Schwingungen ausgesetzt. Dies ermöglicht eine reproduzierbare Kontaktierungsqualität und eine gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren erhöhte Prozessgenauigkeit. Damit ist auch eine Sicherheit und Lebensdauer der elektronischen Komponente erhöht. Des Weiteren können gegenüber Bonddrähten größere Querschnitte von sogenannten Stanzgitterpins, welche gut elektrisch leitende Kupferlegierungen aufweisen, des elektrischen Leiterelements ermöglicht werden. Damit wird eine Stromtragfähigkeit der elektrisch leitenden Verbindung erhöht.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Lötpulver mittels eines Plasmaspritzprozesses auf das elektrische Leiterelement und/oder auf den Schaltungsträger aufgebracht. Das Lötpulver enthält beispielsweise eine Lötlegierung aus Zinn, Silber und Kupfer mit der Verhältnisformel SnAg3Cu0.5.
Beim Plasmaspritzverfahren wird ein Plasmastrahl mittels Lichtbögen erzeugt. Die Lötpulverpartikel schmelzen im Plasmastrahl partiell auf und treffen dann mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu beschichtende Oberfläche des elektrischen Leiterelements und/oder des Schaltungsträgers auf. Hierbei wird eine Beschichtung der Oberfläche mit besonders guten Hafteigenschaften erzielt.
Alternativ wird das Lötpulver mittels eines Kaltgasspritzprozesses auf das elektrische Leiterelement und/oder auf den Schaltungsträger aufgebracht. Beim Kaltgasspritzen wird das Lötpulver mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Insbesondere wird ein erhitztes Prozessgas mittels Expansion in einer Düse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Anschließend wird das Lötpulver in den Gasstrahl injiziert. Im Gegensatz zum Plasmaspritzen wird beim Kaltgasspritzen auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen der Lötpulverpartikel eine dichte und fest haftende Lötpulverschicht beim Aufprall der Lötpulverpartikel auf die Oberfläche ausgebildet.
Zweckmäßigerweise werden Fügeflächen des elektrischen Leiterelements und des Schaltungsträgers nach dem Aufbringen des Lötpulvers zueinander positioniert und anschließend erwärmt. Die Erwärmung dient einem Auf schmelzen des Lötpulvers zur Ausbildung einer rückstandsfreien Lötverbindung zwischen dem Schaltungsträger und dem elektrischen Leiterelement.
Zur Erwärmung wird vorzugsweise eine hochenergetische Laserstrahlung auf die Fügeflächen appliziert. Mittels der Verwendung einer Laserstrahlung kann das Lötpulver schnell und gezielt aufgeschmolzen werden. Zudem können Anschlussbeine und Stanzgitterpins des elektrischen Leiterelements gezielt und schnell erhitzt werden.
Mit einer definierten Leistung und Belichtungszeit der Laserstrahlung und unter Voraussetzung einer definierten Oberflächengüte der Fügeflächen kann sich das Lötpulver derart schnell erhitzen, dass im Gegensatz zum konventionellen pastenbasierten Lötverfahren kein Flussmittel benötigt wird. Dies ist dadurch begründet, dass eine Zeitdauer des Lötprozesses zur Entstehung eines Oxidationsvorgangs in der Lötlegierung zu gering ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird dem Lötpulver beim Auftragen auf das elektrische Leiterelement und/oder auf den Schaltungsträger eine definierte Menge einer kristallinen Adipinsäure hinzugegeben. Dies ermöglicht eine Reduktionsreaktion in der Lötlegierung, die einem möglicherweise dennoch auftretenden Oxidationsvorgang in der Lötlegierung entgegenwirkt. Des Weiteren verdampft die Adipinsäure während des Lötprozesses nahezu vollständig und hinterlässt keine harzhaltigen Rückstände, wie es bei Flussmitteln bekannt ist.
Die Erfindung sieht weiterhin eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte elektronische Komponente vor, die aufgrund der Lötverbindung zwischen dem elektrischen Leiterelement und dem Schaltungsträger eine gegenüber konventionellen elektronischen Komponenten verbesserte Funktionalität, Sicherheit und Lebensdauer aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Schaltungsträgers und eines elektrischen Leiterelements während eines ersten Herstellungsschrittes zur Herstellung einer elektronischen Komponente,
2 eine schematische Schnittdarstellung des Schaltungsträgers und des elektrischen Leiterelements während eines zweiten Herstellungsschrittes und
3 eine schematische Schnittdarstellung einer fertig hergestellten elektronischen Komponente.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schaltungsträger 1 und eines elektrischen Leiterelements 2 während eines ersten Herstellungsschrittes zur Herstellung einer in 3 gezeigten elektronischen Komponente E.
Die elektronische Komponente E ist beispielsweise zur Anordnung in einem Steuergerät, z. B. in einem Getriebesteuergerät für ein Kraftfahrzeug, vorgesehen und umfasst mindestens den Schaltungsträger 1 und das elektrische Leiterelement 2.
Der Schaltungsträger 1 ist beispielsweise eine flexible Leiterplatte, die auf einem Trägerkörper angeordnet ist. Auf dem Schaltungsträger 1 sind in nicht näher dargestellter Weise elektronische Baugruppen zu einer elektrischen Schaltungsanordnung zusammengeführt.
Zur Kontaktierung der elektrischen Schaltungsanordnung ist das elektrische Leiterelement 2 vorgesehen, welches beispielsweise als ein metallisches Stanzgitter ausgebildet und damit elektrisch leitend ist. Insbesondere bildet das elektrische Leiterelement 2 Leiterbahnen für die elektrische Schaltungsanordnung aus und ist beispielsweise aus Kupfer gefertigt.
In dem gezeigten ersten Herstellungsschritt sind der Schaltungsträger 1 und das elektrische Leiterelement 2 noch nicht miteinander verbunden. Zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Schaltungsträger 1 und dem elektrischen Leiterelement 2 sind auf einander zugewandten Fügeflächen 1.1, 2.1 des Schaltungsträgers 1 und des elektrischen Leiterelements 2 jeweils eine Schicht eines Lötpulvers 3 aufgebracht. Alternativ kann auch nur auf eine der Fügeflächen 1.1, 2.1 eine Schicht des Lötpulvers 3 aufgebracht sein.
Das Lötpulver 3 enthält eine Lötlegierung aus Zinn, Silber und Kupfer mit der Verhältnisformel SnAg3Cu0.5, welcher beim Aufbringen auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 eine definierte Menge einer kristallinen Adipinsäure hinzugefügt wird, worauf später näher eingegangen wird.
Das Lötpulver 3 kann mittels eines Plasmaspritzprozesses oder eines Kaltgasspritzprozesses auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 aufgebracht werden. Beim Plasmaspritzverfahren werden Lötpulverpartikel in einem mittels Lichtbögen erzeugten Plasmastrahls partiell aufgeschmolzen, wobei die Lötpulverpartikel mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 auftreffen.
Beim Kaltgasspritzen werden die Lötpulverpartikel mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 aufgebracht. Hierbei wird ein erhitztes Prozessgas, z. B. Stickstoff oder Helium, mittels Expansion in einer Düse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend werden die Lötpulverpartikel in den Gasstrahl injiziert.
2 zeigt den Schaltungsträger 1 und das elektrische Leiterelement 2 während eines zweiten Herstellungsschrittes, wobei der Schaltungsträger 1 und das elektrische Leiterelement 2 mittels eines nachfolgend beschriebenen Lötprozesses miteinander gefügt werden.
Hierbei werden die Fügeflächen 1.1, 2.1 zueinander positioniert, insbesondere aufeinander gelegt, und auf diese eine Laserstrahlung L appliziert. Die Laserstrahlung L wird mittels eines nicht näher dargestellten, hochenergetischen Lasers erzeugt, welcher beispielsweise ein CO₂-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser ist. Die Laserstrahlung L dient einem gezielten, selektiven Erhitzen der Fügeflächen 1.1, 2.1 und damit einem Aufschmelzen des Lötpulvers 3. Aufgrund der selektiven Erhitzung der Fügeflächen 1.1, 2.1 werden zudem andere Komponenten des Schaltungsträgers 1 während des Lötprozesses geschont.
Wird die Laserstrahlung L mit einer definierten Leistung und einer definierten Belichtungszeit appliziert und weisen die Fügeflächen 1.1, 2.1 eine definierte Oberflächengüte auf, kann sich das Lötpulver 3 derart schnell erhitzen, dass im Gegensatz zum konventionellen pastenbasierten Lötverfahren kein Flussmittel benötigt wird. Dies ist dadurch begründet, dass eine Zeitdauer des Lötprozesses zur Entstehung eines unerwünschten Oxidationsvorgangs in der Lötlegierung zu gering ist.
Falls dennoch ein Oxidationsvorgang in der Lötlegierung entsteht, kann diesem mittels der zuvor erwähnten kristallinen Adipinsäure entgegengewirkt werden, welche eine Reduktionsreaktion in der Lötlegierung bewirkt. Zudem verdampft die Adipinsäure während des Lötprozesses nahezu vollständig und hinterlässt somit keine harzhaltigen Rückstände, wie es bei Flussmitteln bekannt ist.
3 zeigt eine Schnittdarstellung der fertig hergestellten elektronischen Komponente E.
Der Schaltungsträger 1 und das elektrische Leiterelement 2 sind mittels einer rückstandsfreien Lötverbindung 3' stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden. Die elektronische Komponente E eignet sich daher besonders gut zur Anordnung in einem Bauraum mit hohen Betriebstemperaturen und einer hohen Korrosionsgefahr, wie es beispielsweise in Getriebesteuerungen eines Kraftfahrzeugs der Fall ist.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsträger
1.1: Fügefläche
2: elektrisches Leiterelement
2.1: Fügefläche
3: Lötpulver
3': Lötverbindung
E: elektronische Komponente
L: Laserstrahlung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente (E), bei dem ein Schaltungsträger (1) mit einem elektrischen Leiterelement (2) elektrisch leitend verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Leiterelement (2) und der Schaltungsträger (1) mittels eines Lötprozesses unter Verwendung eines eine Lötlegierung enthaltenden Lötpulvers (3) miteinander gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötpulver (3) mittels eines Plasmaspritzprozesses auf das elektrische Leiterelement (2) und/oder auf den Schaltungsträger (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötpulver (3) mittels eines Kaltgasspritzprozesses auf das elektrische Leiterelement (2) und/oder auf den Schaltungsträger (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Fügeflächen (1.1, 2.1) des Schaltungsträgers (1) und des elektrischen Leiterelements (2) nach dem Aufbringen des Lötpulvers (3) zueinander positioniert und erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung eine hochenergetische Laserstrahlung (L) auf die Fügeflächen (1.1, 2.1) appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lötpulver (3) beim Aufbringen auf das elektrische Leiterelement (2) und/oder auf den Schaltungsträger (1) eine kristalline Adipinsäure hinzugefügt wird.
Elektronische Komponente (E), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.