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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Komponente.
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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.
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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.
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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.
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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 Lotpaste herzustellen. Die Lotpaste kann beispielsweise über einen Druck- oder einen Dispensprozess aufgebracht werden.
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Lotpasten 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.
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Aus
US 2009/0 032 293 A1 ist ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmaterial sowie ein elektronisches Gerät mit einem solchen Verbindungsmaterial bekannt. Das Verbindungsmaterial umfasst beispielsweise einen Epoxydharzbestandteil, welcher einem Aushärten des Verbindungsmaterials bei niedriger Temperatur dient. Mittels des Verbindungsmaterials wird ein Schaltungsträger mit einem elektrischen Kontaktelement elektrisch leitend verbunden.
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Des Weiteren ist aus
DE 10 2012 222 791 A1 ein Verfahren zur Kontaktierung eines Halbleiters mit einem Kontaktelement bekannt. Dabei wird in einem Schritt A) ein Sinterwerkstoff zur Ausbildung einer schweißbaren Sinterschicht auf eine Oberseite des Halbleiters aufgebracht. In einem Schritt B) erfolgt ein im Wesentlichen druckfreies Sintern unter Ausbildung einer schweißbaren Sinterschicht auf eine Oberseite des Halbleiters. In einem Schritt C) wird die ausgebildete Sinterschicht mit dem Kontaktelement bestückt. In einem Schritt D) erfolgt eine im Wesentlichen druckfreie Ausbildung eines Stoffschlusses und die elektrische Kontaktierung zwischen der Oberseite des Halbleiters und dem Kontaktelement.
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EP 2 963 995 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Heizkreisanordnung, welche ein elektrisch leitendes Verbindungselement und ein elektrisch nicht leitendes Substrat umfasst, welches an dem elektrisch leitenden Verbindungselement befestigt ist.
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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.
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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 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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 Sinterprozesses unter Verwendung eines silberhaltigen Substrats miteinander gefügt werden.
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Mittels des Verfahrens kann eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte mechanische Stabilität der elektrisch leitenden und mittels des Sinterprozesses gebildeten Silberverbindung zwischen dem elektrischen Leiterelement und dem Schaltungsträger hergestellt werden. Dies ist insbesondere dadurch begründet, dass mittels der Silberverbindung eine Kontaktfläche zwischen dem Schaltungsträger und dem elektrischen Leiterelement gegenüber anderen Verbindungselementen, wie z. B. Bonddrähte oder Lötstellen, vergrößert ist.
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Des Weiteren ist die Silberverbindung ohne die Verwendung eines Löse- und Flussmittels herstellbar und damit rückstandsfrei herstellbar. 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 mittels der Silberverbindung gegenüber Bonddrähten größere Querschnitte von sogenannten Stanzgitterpins des elektrischen Leiterelements, welche gut elektrisch leitende Kupferlegierungen aufweisen, ermöglicht werden. Damit wird eine Stromtragfähigkeit der elektrisch leitenden Verbindung erhöht.
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Die Verwendung eines silberhaltigen Substrats ist vorteilhaft, da Silber in bekannter Weise eine gegenüber anderen Metallen höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird das silberhaltige Substrat pulverförmig oder pastenförmig auf das elektrische Leiterelement und/oder auf den Schaltungsträger aufgebracht. Pulver- und pastenförmige Substrate eignen sich besonders für das sogenannte Lasersintern, bei dem das silberhaltige Substrat erhitzt wird.
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Beispielsweise wird das silberhaltige Substrat pulverförmig mittels eines Kaltgasspritzprozesses oder eines Plasmaspritzprozesses auf das elektrische Leiterelement und/oder auf den Schaltungsträger aufgebracht. Beim Plasmaspritzverfahren wird ein Plasmastrahl mittels Lichtbögen erzeugt. Die Silberpulverpartikel schmelzen im Plasmastrahl partiell auf und treffen dann mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu beschichtende Oberfläche auf. Hierbei wird eine Beschichtung einer Oberfläche mit besonders guten Hafteigenschaften erzielt.
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Beim Kaltgasspritzen wird das pulverförmige Substrat 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 werden die Silberpulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Im Gegensatz zum Plasmaspritzen wird beim Kaltgasspritzen auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen der Silberpulverpartikel eine dichte und fest haftende Silberschicht beim Aufprall der Silberpulverpartikel auf die Oberfläche ausgebildet.
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Wird das silberhaltige Substrat pastenförmig aufgetragen, wird dieses in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Druckprozesses oder Dispensprozesses auf das elektrische Leiterelement und/oder auf den Schaltungsträger aufgebracht. Mittels dieser bekannten Verfahren kann das silberhaltige Substrat besonders einfach aufgetragen werden.
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Des Weiteren werden erfindungsgemäß Fügeflächen des elektrischen Leiterelements und des Schaltungsträgers nach dem Aufbringen des silberhaltigen Substrats zueinander positioniert und anschließend erwärmt. Die Erwärmung dient einem Aufschmelzen des silberhaltigen Substrats zur Ausbildung einer rückstandsfreien Silberverbindung zwischen dem Schaltungsträger und dem elektrischen Leiterelement.
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Zur Erwärmung wird erfindungsgemäß eine hochenergetische Laserstrahlung auf die Fügeflächen appliziert. Mittels der Verwendung einer Laserstrahlung kann das silberhaltige Substrat schnell und gezielt aufgeschmolzen werden, wobei eine Sintertemperatur mit ca. 200 °C erreicht wird. Diese Temperatur ist wesentlich niedriger als eine Schmelztemperatur der hergestellten Silberverbindung, die ca. 960°C beträgt. Damit können wesentlich höhere Temperaturen beim Einsatz der elektronischen Komponenten und höhere Zuverlässigkeitswerte erreicht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sinterverfahren ohne Laserstrahlung, die z. B. eine Heißpresse oder Thermode verwenden, können mittels der Laserstrahlung auch schwer zugängliche Fügestellen erreicht werden. Zudem können Anschlussbeine und Stanzgitterpins des elektrischen Leiterelements gezielt und schnell erhitzt werden.
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Des Weiteren wird während der Applikation der Laserstrahlung erfindungsgemäß zusätzlich ein mechanischer Druck auf die Fügeflächen appliziert. Dies ermöglicht eine Verringerung einer Porosität der Silberverbindung, wodurch eine Festigkeit und eine elektrische und thermische Leitfähigkeit der Silberverbindung weiter verbessert werden.
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Zur Applikation des mechanischen Drucks wird erfindungsgemäß ein Niederhalter verwendet, welcher aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material gebildet ist. Dies ermöglicht ein Durchdringen der Laserstrahlung durch den Niederhalter, welcher dazu beispielsweise aus Glas gebildet ist.
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Des Weiteren ist eine elektronische Komponente vorgesehen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist und einen Schaltungsträger und ein elektrisches Leiterelement umfasst, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dabei ist zwischen dem elektrischen Leiterelement und dem Schaltungsträger eine Sinterschichtung aus zumindest einem silberhaltigen Substrat angeordnet, wobei das elektrische Leiterelement und der Schaltungsträger mittels der Sinterschichtung miteinander gefügt sind.
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Die elektronische Komponente weist mittels der Sinterbeschichtung eine gegenüber konventionellen elektronischen Komponenten verbesserte Funktionalität, Sicherheit und Lebensdauer auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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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.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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Die elektronische Komponenten 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.
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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.
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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.
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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 ist auf einander zugewandten Fügeflächen 1.1, 2.1 des Schaltungsträgers 1 und des elektrischen Leiterelements 2 jeweils eine Schicht eines silberhaltiges Substrats 3 aufgebracht. Alternativ kann auch nur auf eine der Fügeflächen 1.1, 2.1 eine Schicht des silberhaltigen Substrats 3 aufgebracht sein.
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Das silberhaltige Substrat 3 wird beispielsweise pulverförmig zur Verfügung gestellt und mittels eines Plasmaspritzprozesses oder eines Kaltgasspritzprozesses auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 aufgebracht. Beim Plasmaspritzverfahren werden Silberpulverpartikel in einem mittels Lichtbögen erzeugten Plasmastrahls partiell aufgeschmolzen, wobei die Silberpulverpartikel mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 auftreffen.
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Beim Kaltgasspritzen werden die Silberpulverpartikel 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 Silberpulverpartikel in den Gasstrahl injiziert.
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Alternativ kann das silberhaltige Substrat 3 pastenförmig zur Verfügung gestellt werden
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Wird das das silberhaltige Substrat 3 pastenförmig aufgetragen, wird dieses mittels eines Druckprozesses oder Dispensprozesses auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 aufgebracht. Beispielsweise wird beim Dispensprozess eine Silberpaste mittels eines bestimmten Dosierventils sequentiell mit definierten Volumina auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 appliziert. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch.
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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 Sinterprozesses miteinander gefügt werden.
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Hierbei werden die Fügeflächen 1.1, 2.1 zueinander positioniert, so dass diese sich berühren. Des Weiteren werden die Fügeflächen 1.1, 2.1 mittels eines Niederhalters 4 aufeinandergepresst, so dass ein Fügen des Schaltungsträgers 1 und des elektrischen Leiterelements 2 unter Einwirkung eines mechanischen Drucks erfolgt.
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Der gezeigte Niederhalter 4 ist aus einem optisch transparenten Material, z. B. Glas, gebildet, und ist somit für eine auf die Fügeflächen 1.1, 2.1 applizierte Laserstrahlung L durchlässig. 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 silberhaltigen Substrats 3.
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Das silberhaltige Substrat 3 wird mit einer Temperatur von ca. 200°C aufgeschmolzen und ist damit wesentlich niedriger als eine Schmelztemperatur einer nach dem Sinterprozess hergestellten, in 3 gezeigten, Silberverbindung 3', bei der die Schmelztemperatur ca. 960°C beträgt. Aufgrund der niedrigen Temperatur von 200°C werden zudem andere Komponenten des Schaltungsträgers 1 während des Sinterprozesses geschont.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung der fertig hergestellten elektronischen Komponente E.
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Der Schaltungsträger 1 und das elektrische Leiterelement 2 sind mittels einer rückstandsfreien Silberverbindung 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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsträger
- 1.1
- Fügefläche
- 2
- elektrisches Leiterelement
- 2.1
- Fügefläche
- 3
- silberhaltiges Substrat
- 3'
- Silberverbindung
- 4
- Niederhalter
- E
- elektronische Komponente
- L
- Laserstrahlung
