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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Aufbau umfassend eine erste Baugruppe und eine zweite Baugruppe,
welche mittels einer Klebstoffschicht miteinander verbunden sind sowie von einem Verfahren zum Verbinden einer ersten Baugruppe mit einer zweiten Baugruppe mittels Klebstoff aus.
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Zur Befestigung von Leiterplatten an Gehäuse-Strukturen werden in der Leistungselektronik seitens der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) vorrangig organische Kleber für ein stoffschlüssiges Fügeverfahren verwendet. Diese können aus temperaturaushärtenden Silikonen, Cyanacrylaten, Epoxidharzen, UV-aushärtenden Klebstoffarten, verschiedenen abwaschbaren oder leicht entfernbaren Klebstoffen oder aus speziellen Wachsen bestehen.
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Diese Kleber können durch Zusatz keramischer Additive nur bedingt eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit erzielen und besitzen aufgrund der organischen Matrix einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK), der sich deutlich von dem von Leiterplatten- und/oder Gehäusematerialien unterscheidet. Dies birgt die Gefahr von thermisch induzierten mechanischen Spannung an den beteiligten Grenzflächen und somit Verformungen bzw. Schädigungen an Einzelteilen oder der gesamten Baugruppe.
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Ein weiteres Problem kann die begrenzte Temperaturbeständigkeit organischer Kleber darstellen. Diese weisen in der Regel eine maximale Temperaturbeständigkeit von ca. 150 °C auf, wie beispielsweise Q1- Silikonklebstoff. Im Zuge anhaltender Entwicklungstrends hin zu zunehmend Leistungsdichte-optimierter Elektronik, also auch zu steigender Verlustleistung und damit Abwärme pro Volumen kommt dem Thermomanagement eine zunehmende Bedeutung zu. Höhere Temperaturen und schnelle Wärmeabfuhr sind somit wesentliche Herausforderungen, welche mit den genannten organischen Klebern nur bedingt zu realisieren sind.
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In
DE 10 2012 025 495 A1 ist ein Verfahren zur Montage eines Diodenlasermoduls beschrieben. Zwei Kühlkörper werden mittels eines anorganischen Fügemittels, wie beispielsweise Zement, zusammengefügt. Zwischen den Kühlkörpern ist ein Laserdiodenelement angeordnet, wobei zwischen den den Kühlkörpern zugewandten Flächen des Laserdiodenelements und den Kühlkörpern jeweils ein Wärmeleitmittel, wie beispielsweise eine Metallfolie, angeordnet werden kann.
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Aus
DE 10 2013 112 267 A1 ist ein Zement-Komposit als Umhüllmasse für ein Halbleitermodul bekannt. Der Zementkomposit besteht dabei aus einer Zementmatrix und oxidischen oder nichtoxidischen keramischen Füllstoffen. Diese Umhüllmasse weist durch die keramischen Füllstoffe eine gegenüber einer reinen Zement-Umhüllmasse erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche stellt eine Möglichkeit zur Verbindung zweier Baugruppen mittels eines Klebstoffes zur Verfügung, wobei sich der Klebstoff und die damit realisierte Verbindung durch eine hohe Wärmleitfähigkeit und damit erleichterten Wärmetransport zwischen den beiden Baugruppen, durch eine hohe Temperaturbeständigkeit im Sinne einer dauerfesten Verbindung der beiden Baugruppen und durch einen den zu verbindenden Baugruppen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und damit einhergehend geringe mechanische Spannungen infolge Temperaturänderungen in den verbundenen Baugruppen auszeichnet. Die resultierende Verbindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sie mittels eines einfachen Prozesses und kostengünstig herzustellen ist und eine hohe chemische Beständigkeit aufweist.
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Dazu wird vorteilhaft zur Verbindung der zwei Baugruppen ein Kompositklebstoff verwendet, der einen Zementklebstoff und in den Zementklebstoff eingebrachte keramische Füllstoffe umfasst oder der durch den Zementklebstoff und die darin eingebrachten kermaischen Füllstoffe gebildet wird. Als Zement kann vorteilhaft an sich bekannter Zement, wie Tonerdezement, Portlandzement oder Säure-Base-Zement Anwendung finden. Der Zement dient als Matrix bzw. Bindemittel. Er bindet somit nicht nur die Füllstoffe, sondern übernimmt auch die klebende Wirkung. Als keramische Füllstoffe werden vorzugsweise oxidische, beispielsweise Aluminiumoxid Al2O3, und nichtoxidische Keramik, wie Aluminiumnitrid AlN, Siliziumnitrid Si3N4, Bornitrid BN, Siliciumcarbid SiC oder Borcarbid B4C mit hoher Wärmeleitfähigkeit nach spezifischer Anforderung an die Eigenschaften des Klebstoffes bzw. der daraus zu bildenden Klebstoffschicht kombiniert oder auch einzeln eingesetzt.
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Die keramischen Füllstoffe übernehmen dabei insbesondere die Funktion, die Wärmeleitfähigkeit des Kompositklebstoffs einzustellen bzw. gegenüber einem reinen Zementklebstoff zu verbessern. Wie in
DE 10 2013 112 267 A1 beschrieben können die Füllstoffe auch besondere Strukturen aufweisen, beispielsweise als Fasern ausgebildet sein, wodurch die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Kompositklebstoffes bzw. der daraus hergestellten Verbindungsschicht zwischen den beiden Baugruppen gezielt beeinflusst werden können.
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So ist es gelungen, die thermische Leitfähigkeit eines solchen Klebstoffes auf ca. 5 W/m x K im Falle eines Tonerdezement-Komposits mit AI203-Füllstoffen zu erhöhen. Zudem ermöglichen die verwendeten Rohstoffe das Einstellen des Wärmeaustaschkoeefizienten (WAK) zwischen 4 und 12 ppm/K. Wird der Kompositklebstoff beispielsweise auf Kupfer appliziert, ist ein hoher WAK < 10 ppm/K (angepasst an Kupfer) für diese Materialpaarung von Vorteil. Bei einem Siliziumcarbid (SiC)- Halbleiter ist wiederum ein WAK im Kompositklebstoff von 4 ppm/K zu bevorzugen, um die mechanischen Spannungen zwischen SiC und dem Kompositklebstoff gering zu halten.
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Appliziert wird die fließfähige Kompositklebstoff-Masse oder -Paste, welche durch ausgewählte Additive, auch organische, hinsichtlich rheologischer und mechanischer Eigenschaften optimiert werden kann, vorzugsweise in einem Gieß- bzw. Spritzverfahren.
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Als weiterer Vorteil kann dabei gesehen werden, dass zur Anwendung dieses Klebstoffes kein Haftvermittler (Primer) erforderlich ist, so dass der Klebstoff ohne zusätzlichen Prozessschritt des Aufbringens des Haftvermittlers eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung eignet sich damit insbesondere für den Einsatz in der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) von Leistungselektronik, wo typischerweise hohe Verlustleistungen und damit abzuführende Abwärme anfällt oder für AVT im Bereich komplexer oder besonders dicht gepackter Rechnerarchitektur und ermöglicht das Ersetzen aktuell eingesetzter organischer Kleber, welche über die eingangs beschriebenen Nachteile aufweisen.
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Die beschriebenen Vorteile werden erreicht durch einen Aufbau gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, also durch einen Aufbau, umfassend eine erste Baugruppe und eine zweite Baugruppe, wobei die erste und die zweite Baugruppe mittels einer Klebstoffschicht miteinander verbunden sind, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Klebstoffschicht durch einen Kompositklebstoff gebildet ist, welcher einen Zementklebstoff und mindestens einen diesem zugesetzten keramischen Füllstoff aufweist.
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Die beschriebenen Vorteile werden weiterhin erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs, nämlich ein Verfahren zum Verbinden einer ersten Baugruppe mit einer zweiten Baugruppe, wobei ein Kompositklebstoff, umfassend einen Zementklebstoff und mindestens einen keramischen Füllstoff, bereitgestellt wird, wobei der Kompositklebstoff auf zumindest Teilbereiche einer ersten Oberfläche der ersten Baugruppe aufgebracht wird und wobei eine der ersten Oberfläche der ersten Baugruppe abgewandte Oberfläche der Schicht aus Kompositklebstoff mit einer zweiten Oberfläche der zweiten Baugruppe in Kontakt gebracht wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Vorteilhaft ist bzw. wird dem Zementklebstoff oxidische Keramik und/oder nichtoxidische Keramik als Füllstoff zugesetzt.
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Vorteilhaft handelt es sich bei der ersten Baugruppe um eine thermische Energie erzeugende elektrische Baugruppe, insbesondere beispielsweise einen Leistungshalbleiter oder einen Mikroprozessor, alternativ beispielsweise um eine mit elektrischen oder elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatte und bei der zweiten Baugruppe um eine thermische Energie aufnehmende und/oder ableitende Baugruppe, insbesondere ein, vorzugsweise metallisches, Gehäuse, eine Kühlungskomponente, insbesondere einen Luft- oder Fluid-umströmten Konvektions-Kühlkörper und/oder einen Abstrahlungskühlkörper.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichwirkende Elemente
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Es zeigen
- 1 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens,
- 2 schematisch eine Seitenansicht eines ersten Aufbaus,
- 2a schematisch eine Aufsicht des ersten Aufbaus, wobei hier die in 2 dargestellte zweite Baugruppe 29 weggelassen wurde,
- 3 schematisch eine Seitenansicht eines zweiten Aufbaus,
- 3a schematisch eine Aufsicht des zweiten Aufbaus, wobei hier die in 3 dargestellte zweite Baugruppe 29 weggelassen wurde,
- 4 schematisch eine Seitenansicht eines dritten Aufbaus,
- 4a schematisch eine Aufsicht auf den dritten Aufbau, wobei hier die in 4 dargestellte zweite Baugruppe 29 weggelassen wurde.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Der Ablauf des erfindungsgemäßen Prozesses bzw. Verfahrens ist in 1, jeweils unter Bezug auf die weiteren 2 bis 4a skizziert.
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In Schritt 110 wird der Kompositklebstoff bereit gestellt. Die Rezeptur des Kompositklebstoffs besteht in vorteilhafter Ausführung aus > 70 Gewichts-% keramischem Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. Al2O3) und der Zementmatrix. Die Viskosität des Kompositklebstoffs wird dabei über die Menge an Anmachwasser (typischerweise < 12 Gewichts-% VE Wasser) sowie organischen Fließmitteln eingestellt.
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Die Bereitstellung 110 umfasst in bevorzugter Ausgestaltung das Anmischen der Zementmatrix bzw. des Zementklebstoffes unter Zugabe von Additiven, hier insbesondere von Keramikfüllstoffen zum resultierenden Kompositklebstoff, wobei durch die Dosierung und Komposition der Füllstoffe die gewünschten Eigenschaften insbesondere hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit der mit dem Kompositklebstoff herzustellenden Schicht eingestellt werden. Durch die Dosierung des Lösungsmittels, hier vorzugsweise Wasser, wird die Viskosität der Klebstoffmasse oder Klebstoffpaste zum Zwecke der Applikation auf dem Werkstück, hier der Oberfläche der ersten Baugruppe, beispielsweise einem Kühlkörper oder einem Gehäuse, eingestellt.
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Die Bereitstellung umfasst weiterhin das Einfüllen des fertig angemischten Kompositklebstoffes in ein Appliktionswerkzeug. Dieses kann insbesondere durch einen Bestückungsautomaten geführt, d.h. relativ zum Werkstück positioniert und zugeführt werden.
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In Schritt 120 wird der Kompositklebstoff auf das Werkstück, hier auf eine erste Oberfläche 26 der ersten Baugruppe 21 in 2, 2a, 3, 3a, 4, 4a, beispielsweise einen Leistungshalbleiter oder einen Mikroprozessor, aufgebracht. Das Aufbringen kann dabei gemäß den in den 2a, 2b und 2c dargestellten Ansichten auf einzelne Klebepunkte oder -flächen 22, 23, 24 und 25 (2a), auf eine struktierte Fläche, hier beispielsweise nicht zwingend konzentrische rechteckige streifenförmige Bereiche 32, 33, 34, 35 oder auch auf eine zusammenhängende Teilfläche 42 der ersten Oberfläche 26 oder auch auf die gesamte erste Oberfläche 26 erfolgen. Bei den in den 2a, 2b, 2c handelt es sich um Beispiele ohne beschränkende Wirkung, andere Gestaltungen sind ebenso möglich. Auch ist es selbstverständlich möglich, den Kompositklebstoff anstelle der ersten Baugruppe oder zusätzlich zu der ersten Oberfläche der ersten Baugruppe auf die zweite Oberfläche 28 des zweiten Klebe- bzw. Fügepartners, also der zweiten Baugruppe 29, beispielsweise Gehäuse oder Kühlkörper aufzubringen.
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Das Aufbringen des Kompositklebstoffes erfolgt dabei vorzugsweise im Spritzverfahren oder im Gießverfahren.
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In Schritt 130 wird der Fügepartner für die Klebeverbindung, das zweite Bauelement 29, also beispielsweise ein Kühlkörper 29, mit seiner zweiten Oberfläche 28 auf die Klebstoffschicht 42 bzw. die Klebstoffpunkte 22, 23, 24, 25 oder Klebstoffstruktur 32, 33, 34, 35, welche auf die erste Oberfläche 26 der ersten Baugruppe 21 aufgebracht worden ist, aufgesetzt.
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In Schritt 140 wird der Kompositklebstoff ausgehärtet, wodurch die stoffschlüssige Verbindung zwischen erster Baugruppe 21 und zweiter Baugruppe 29 zustande kommt und mithin der Aufbau 2 hergestellt ist. Die Aushärtung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Aufbau mit noch nicht ausgehärtetem Kompositklebstoff geeigneten Umgebungsbedinungen ausgesetzt wird. Dies kann beispielsweise durch Einbringen des Aufbaus in einen Trockenschrank und/oder in eine Klimakammer erfolgen, in dem bzw. der geeignete Umgebungsbedingungen eingestellt werden. Das Aushärten erfolgt dann beispielsweise bei einer geeigneten Temperatur, hier beispielsweise im Bereich 50 - 95 °C und/oder unter Feuchte für eine Zeitdauer von bis zu mehreren Stunden erfolgen.
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Es versteht sich, dass die Rollen der ersten Baugruppe 21 und der zweiten Baugruppe 29 hinsichtlich Wärmequelle, also beispielsweise Leistungshaltleiter oder Mikroprozessor, sowie Wärmsenke, also Gehäuse oder Wärmeleiter oder Kühlkörper, getauscht werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012025495 A1 [0005]
- DE 102013112267 A1 [0006, 0009]
