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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte, eine Anordnung mit einer Leiterplatte sowie Verfahren zum Sintern von elektrischen Bauteilen auf eine Leiterplatte gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Bei der Elektronikfertigung werden elektronische Bauteile, z.B. hochintegrierten Schaltkreisen, z.B. ICs (engl. IC = integrated circuit) oder SMD-Bauteile, wie z.B. Treiberbausteine oder Leistungsbauteile, in verschiedenen Fertigungsverfahren auf ein Trägersubstrat, z.B. eine Leiterplatte aufgebracht. Typische Verfahren zum Aufbringen und Verbindung eines elektronischen Bauteils auf einer Leiterplatte sind z.B. Lötverfahren oder Sinterverfahren. Bei den Sinterverfahren wird zudem unter Niedertemperatur- und Niederdrucksinterverfahren unterschieden.
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Die Anbindung des hochintegrierten Schaltkreises, z.B. ein SMD-Bauteil, erfolgt üblicherweise dadurch, dass auf eine zu sinternde Fläche zunächst ein Sintermaterial aufgebracht wird. Anschließend wird das Bauteil auf das Sintermaterial gesetzt. Abschließend erfolgt der Temperatureintrag in den zu sinternden Bereich, so dass die zu sinternde Fläche mit dem elektrischen Bauteil verbunden wird. Im Sinterprozess verdampfen die flüchtigen Bestandteile des Sintermaterials (Ausgasung). Die immer größer werdenden Gasbläschen schließen sich zusammen und bilden eine Makroblase im Sintermaterial zwischen Leiterplatte und SMD-Bauteil. In dieser Blase entsteht durch das umgebene Sintermaterial ein Überdruck, das den Baustein anhebt. Dadurch können Anschlusspins an den Seiten des SMD-Bauteils nicht mehr zuverlässig mit der Leiterplatte verbunden werden. Die Folge können Bruchstellen oder Haarrisse in der Sinterverbindung zwischen den Anschlusspins und der Leiterplatte sein, wodurch es zum Ausfall der gesamten Schaltung kommen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Leiterplatte und eine Anordnung mit einer Leiterplatte anzugeben, bei welchen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind und eine zuverlässige Lötverbindung zwischen Leiterplatte und hochintegriertem Schaltkreis möglich ist. Eine weitere Aufhabe besteht darin, mit der Leiterplatte und der Anordnung ein verbessertes Sinterverfahren anzugeben, bei welchem die beim Sinterverfahren entstehenden Ausgasungen keine Beschädigung der elektrischen oder thermischen Verbindung zwischen Trägersubstrat und elektrischem Bauteil verursachen.
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Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung ist eine Leiterplatte mit einer ersten und zweiten Hauptoberfläche, wobei auf mindestens einer Hauptoberfläche eine zu sinternde Fläche zur Verbindung der Leiterplatte mit einem elektrischen Bauteil vorhanden ist. Erfindungsgemäß sind auf der zu sinternden Fläche mehrere durch Freiräume getrennte Bereiche mit einem Sintermaterial vorhanden sind. Ferner sind erfindungsgemäß in den Freiräumen Durchbrechungen in der zu sinternden Fläche und der Leiterplatte vorhanden.
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Die Durchbrechungen, auch als Vias bezeichnet, dienen dazu, dass das während des Sinterprozesses aus dem Sintermaterial austretende Gas aus dem Bereich zwischen zu sinternder Fläche und dem elektrischen Bauteil abgeführt werden kann. Dadurch wird verhindert, dass sich zwischen zu sinternder Fläche und dem elektronischen Bauteil eine Makrogasblase des aus dem Sintermaterial austretenden Gases bildet, wodurch eine thermische und/oder elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Bauteil und der Leiterplatte beeinträchtigt wird. Die Vias sind hierbei zweckmäßig derart ausgeführt, dass sie zwischen der ersten und der zweiten Hauptoberfläche verlaufen und somit gewährleisten, dass das Gas aus den Freiräumen durch die Vias in Richtung der gegenüberliegenden Hauptoberfläche der Leiterplatte strömen kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung können die Freiräume als Kanäle ausgebildet sein und eine Verbindung zwischen einem Randbereich der zu sinternden Fläche zu den Durchbrechungen bilden. Dadurch wird gewährleistet, dass das während des Sinterprozesses aus dem Sintermaterial austretende Gas optimal an die Umgebung abgeführt werden kann. Einerseits kann das Gas, wie beschrieben durch die Vias an die gegenüberliegende Hauptoberfläche der Leiterplatte geführt werden. Andererseits kann das Gas auf der jeweiligen Hauptoberfläche der Leiterplatte entlang der Kanäle an die Umgebung abgeführt werden, in dem es entlang die Kanäle von der Stelle, an der das Gas gebildet wurde, bis zum Randbereich der zu sinternden Fläche geführt wird, wo es schließlich an die Umgebung abgegeben werden kann. Damit wird zuverlässig verhindert, dass sich zwischen Leiterplatte und elektronischen Bauelement während des Sinterprozesses Makrogasblasen bilden, welche die thermische und/oder elektrische Verbindung des elektronischen Bauteils mit der Leiterplatte beeinträchtigen können.
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Die zu sinternde Fläche kann eine mit einem elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Material beschichtete Fläche sein. Insbesondere kann die zu sinternde Fläche mit Gold oder Silber beschichtet sein. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung dieser Materialien beschränkt. Einem Fachmann bekannte weitere elektrisch und/oder thermisch leitfähige Materialien oder Legierungen daraus können ebenfalls verwendet werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Sintern von elektrischen Bauteilen auf eine Leiterplatte. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei folgende Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer ersten und zweiten Hauptoberfläche, wobei auf mindestens einer Hauptoberfläche eine zu sinternde Fläche vorhanden ist,
- b) Einbringen von Durchbrechungen in die zu sinternde Fläche und die Leiterplatte,
- c) Aufbringen eines Sintermaterials auf die zu sinternde Fläche, wobei die Durchbrechungen von dem Sintermaterial ausgespart bleiben,
- d) Aufbringen des elektrischen Bauteils auf die zu sinternde Fläche,
- e) Sintern der in den Verfahrensschritten a) bis d) gebildeten Anordnung.
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Bei dem Verfahrensschritt e) handelt es sich insbesondere um den einem Fachmann bekannten Sinterprozeß, bei welchem die zu sinternde Anordnung einer vorgegebenen Temperatur, insbesondere zwischen 200°C und 350°C und einem vorgegebenen Druck ausgesetzt wird.
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Erfindungsgemäß wird im Schritt c) das Sintermaterial in mehreren voneinander beabstandeten Bereichen auf die zu sinternde Fläche aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt dabei derart, dass zwischen den einzelnen Bereichen Freiräume gebildet werden, insbesondere in Form von Verbindungskanälen zwischen den Durchbrechungen und einem Randbereich der zu sinternden Fläche.
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Bei der zu sinternden Fläche handelt es sich um eine Fläche zur Kontaktierung der Anschlusspins des elektrischen Bauteils und/oder eine Fläche zur Kontaktierung einer Wärmeleitfläche des elektrischen Bauteils. Die Ankontaktierung der Wärmeleitfläche des elektrischen Bauteils an die Leiterplatte dient im Wesentlichen dazu, die im elektrischen Bauteil erzeugte Wärme abzuführen. Im vorliegenden Fall erfolgt diese Wärmeabfuhr über die Leiterplatte.
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Durch das erfindungsgemäße Aufbringen des Sintermaterials auf die zu sinternde Fläche der Leiterplatte wird erreicht, dass die während des Sinterprozesses aus dem Sintermaterial austretenden Gase direkt an den Rand der zu sinternden Fläche abgeführt werden können. Von dort gelangen diese Gase direkt an die Umgebung. Dadurch wird verhindert, dass sich während des Sinterprozesses zwischen der zu sinternden Fläche und dem elektronischen Bauelement Makrogasblasen bilden. Somit wird eine sichere Verbindung zwischen dem elektrischen Bauteil und der Leiterplatte sichergestellt.
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Mit anderen Worten, beim Aufbringen des elektronischen Bauteils auf das Sintermaterial, welches im Schritt c) auf die zu sinternde Fläche aufgebracht wird, entsteht ein Spalt zwischen der zu sinternden Fläche auf der Leiterplatte und dem elektronischen Bauteil. Beim Sintern in Schritt e) treten aus dem Sintermaterial Gase aus. Diese Gase gelangen durch den Spalt an den Rand der zu sinternden Fläche und werden dort an die Umgebung abgeführt. Das Abführen der Gase aus dem Bereich zwischen der zu sinternden Fläche und dem elektronischen Bauteil wird dadurch möglich, da das Sintermaterial nicht flächig auf die zu sinternde Fläche aufgetragen wird, sondern in kleinere Bereiche, welche voneinander beabstandet sind. Zwischen diesen Bereichen sind somit Kanäle oder Lücken gebildet, welche eine direkte Verbindung mit dem Randbereich der zu sinternden Fläche aufweisen. Das während des Sinterprozesses aus dem Sintermaterial austretende Gas gelangt somit entlang dieser Kanäle an den Randbereich der zu sinternden Fläche, von wo aus es an die Umgebung abgeführt wird. Somit ist sichergestellt, dass zwischen der zu sinternden Fläche und dem elektronischen Bauteil es zu keiner Bildung einer Makrogasblase kommt. Gleichzeitig gelangt das Gas aber auch durch die Durchbrechungen von einer Hauptoberfläche der Leiterplatte auf die gegenüberliegende Hauptoberfläche der Leiterplatte, von wo es an die Umgebung abgeführt werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Sintermaterial mittels einer segmentierten Schablone auf die zu sinternde aufgebracht werden. Als segmentierte Schablone wird hierbei eine Schablone verstanden, welche mehrere Aussparungen (Segmente) aufweist. Diese Aussparungen dienen im Schritt c) zum Aufbringen des Sintermaterials auf die zu sinternde Fläche. Die Stege der Schablone, welche die einzelnen Aussparungen der Schablone voneinander trennen, verhindern ein Auftragen von Sintermaterial auf die zu sinternde Fläche.
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Insbesondere kann somit vor dem Schritt c) eine segmentierte Schablone auf die zu sinternde Fläche positioniert werden. Nach dem Aufbringen des Sintermaterials auf die Schablone bzw. in die Aussparungen der Schablone kann vor dem Schritt d), d.h. vor dem Aufsetzen des elektronischen Bauteils auf das Sintermaterial die Schablone entfernt werden.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen schematisch bildhaft dargestellten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 beispielhafte Darstellungen des gemäß der Erfindung auf die zu sinternde Fläche aufgebrachten Sintermaterials.
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1 zeigt in einer Abfolge von Einzeldarstellungen den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit Bezugszeichen 101 sind der Verfahrensschritt a) und b) gezeigt, nämlich das Bereitstellen einer Leiterplatte 1, bzw. eines Trägersubstrats, mit einer ersten und zweiten Hauptoberfläche 1a, 1b und das Einbringen von Durchbrechungen 8 in die Leiterplatte 1. Die Durchbrechungen 8 sind dabei in einer auf der ersten Hauptoberfläche 1a ausgebildeten zu sinternden Fläche 2 ausgebildet. Die Durchbrechungen 8 verlaufen hierbei zwischen der ersten Hauptoberfläche 1a und der zweiten Hauptoberfläche 1b der Leiterplatte 1. Die obere Darstellung zeigt dabei die Leiterplatte 1 mit der zu sinternden Fläche 2 in Draufsicht, wohingegen die untere Darstellung die Anordnung im Schnitt darstellt.
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Mit Bezugszeichen 102 ist der Verfahrensschritt c) gezeigt, das Aufbringen des Sintermaterials 3 auf die zu sinternde Fläche 2. Es ist gezeigt, dass das Sintermaterial 3 in jeweils einzelne Bereiche 7 auf der zu sinternden Fläche 2 aufgetragen ist. Die einzelnen Bereiche 7 mit Sintermaterial 3 sind zueinander beanstandet, wobei zwischen den einzelnen Bereiche 7 Freiräume 6, z.B. Kanäle ausgebildet sind. Diese Kanäle 6 sind mit dem Randbereich 5 der zu sinternden Fläche 2 verbunden. Somit können aus dem Sintermaterial 3 austretende Gase entlang der Kanäle 6 direkt an den Rand 5 der zu sinternden Fläche 2 geleitet werden, wo sie an die Umgebung abgegeben werden können. Die einzelnen Bereich 7 mit Sintermaterial 3 sind dabei derart auf der zu sinternden Fläche 2 angeordnet, dass die Durchbrechungen 8 nicht von dem Sintermaterial 3 bedeckt sind- Somit haben die Durchbrechungen 8 eine direkte Verbindung zu den Kanälen 6. Aus dem Sintermaterial 3 austretendes Gas kann somit durch die Kanäle 6 als auch durch die Durchbrechungen 8 an die Umgebung abgeführt werden.
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Die obere Darstellung zeigt dabei die Leiterplatte 1 mit der zu sinternden Fläche 2 und dem Sintermaterial 3 in Draufsicht, wohingegen die untere Darstellung die Anordnung im Schnitt darstellt.
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Bezugszeichen 103 zeigt den Verfahrensschritt d), nämlich das Aufsetzen des elektronischen Bauteils 4 auf das Sintermaterial 2. Die obere Darstellung zeigt dabei die Leiterplatte 1 mit der zu sinternden Fläche 2, dem Sintermaterial 3 und dem elektronischen Bauteil 4 in Draufsicht, wohingegen die untere Darstellung die Anordnung im Schnitt darstellt.
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Schließlich ist mit Bezugszeichen 104 der Sinterprozeß im Verfahrensschritt e) gezeigt.
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2 zeigt beispielhafte Darstellungen des gemäß der Erfindung auf die zu sinternde Fläche aufgebrachten Sintermaterials. Die linke Darstellung zeigt die Darstellung aus 1. Die mittlere Darstellung zeigt, dass das Sintermaterial 3 die zu sinternde Fläche 2 in drei im Wesentlichen gleichgroße Bereiche 7 unterteilt, welche mit zwei geraden Kanälen 6 voneinander getrennt sind. Die rechte Darstellung zeigt eine weitere Anordnung des Sintermaterials 3 auf der zu sinternden Fläche 2. Das Sintermaterial 3 ist hierbei in Rauten- und Dreieckform auf der zu sinternden Fläche 2 angeordnet. Die zwischen den Formen 7 ausgebildeten Kanäle 6 sind derart ausgebildet, dass wenigstens zwei Randbereiche 5 der zu sinternden Fläche 2 durch die Kanäle 6 miteinander verbunden sind. Das Sintermaterial 3 ist dabei auf der zu sinternden Fläche 2 derart angeordnet, dass die Durchbrechungen 8 durch die Leiterplatte 1 nicht von dem Sintermaterial 3 bedeckt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- zu sinternden Fläche
- 3
- Sintermaterial
- 4
- elektronisches Bauteil
- 5
- Randbereich
- 6
- Kanal
- 7
- Bereich mit Sintermaterial
- 8
- Durchbrechungen
- 101
- Verfahrensschritte a) und b)
- 102
- Verfahrensschritt c)
- 103
- Verfahrensschritt d)
- 104
- Verfahrensschritt e)
