DE102021202178A1

DE102021202178A1 - Verbindungsanordnung

Info

Publication number: DE102021202178A1
Application number: DE102021202178.6A
Authority: DE
Inventors: Guenter Gera
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-09-08
Also published as: WO2022184747A2; CN117044408A; WO2022184747A3; US20240155766A1

Abstract

Ausgegangen wird von einer Verbindungsanordnung, umfassend zumindest einen ersten Verbindungspartner und einen zweiten Verbindungspartner, welche mittels einer zwischen den Verbindungspartnern angeordneten verfestigten Lotschicht mit einer Lotschichtstärke stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dabei weisen die Verbindungspartner jeweils zumindest eine Lotanbindungsfläche auf, die von dem Lotmaterial in einem geschmolzenen Zustand benetzbar sind. Weiterhin sind die Lotanbindungsflächen übereinander angeordnet und zueinander zugewandt, so dass beide jeweils von der verfestigten Lotschicht zumindest bereichsweise kontaktiert sind. Die Lotanbindungsflächen sind jeweils derart ausgebildet, dass eine senkrechte Projektion beider Lotanbindungsflächen aufeinander zumindest eine abgrenzbare Projektionsfläche mit jeweils sich gemeinsam überdeckenden Lotanbindungsflächenanteilen aufweist. Die abgrenzbare Projektionsfläche weist dann zumindest eine umlaufend geschlossene Umrandung auf mit zumindest einer enthaltenen ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche, an welche sich zumindest eine oder mehrere weitere Projektionsteilflächen unmittelbar anschließen. Für die Einstellung einer definierten Lotschichtstärke ist eine der weiteren Projektionsteilfläche/n jeweils entsprechender Lotanbindungsflächenanteil als ein Auslaufsammelbereich für überschüssiges Lotmaterial zwischen den Verbindungspartnern ausgebildet. Dies erfolgt indem innerhalb der abgrenzbaren Projektionsfläche eine für die Benetzung der Lotanbindungsflächenanteile durch das Lotmaterial im geschmolzenen Zustand maßgebliche Strukturgröße bei der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche größer ausgebildet ist, als bei der einen bzw. den mehreren weiteren Projektionsteilflächen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung sowie ein Verfahren zu deren Ausbildung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Die Löttechnik stellt eine für Elektronikanwendungen gängige Verbindungstechnik dar. Hierbei wird zwischen zwei zu verlötenden Bauteilen ein Lotmaterial eingebracht, welches anschließend aufgeschmolzen wird. Nach einem Abkühlvorgang sind anschließend beide Bauteile stoffschlüssig miteinander verlötet. Die dabei verfestigte Lotschicht kann eine elektrische und/oder mechanische Funktion innerhalb der jeweiligen Elektronikanwendung übernehmen. Beim Löten ist es oft notwendig, eine definierte Menge an Lotmaterial bereitzustellen, um die Funktion der Lötstelle zu gewährleisten. Ist zu wenig Lotmaterial vorhanden, werden unter Umständen die Qualitätskriterien der Lötstelle nicht erreicht. Dies kann zu einer Fehlfunktion der Elektronikschaltung führen und/oder die Lebensdauer ungünstig beeinflussen. Ist zu viel Lot vorhanden, kommt es zum sogenannten Ausbluten oder zur Ausbildung von Lotperlen. Insbesondere besteht hierbei die Gefahr, dass andere Bauteile unbeabsichtigt von dem herausgedrückten Lotmaterial und/oder den gebildeten Lotperlen elektrisch kontaktiert werden, was zum Beispiel im Betrieb einen Kurzschluss verursachen kann. Demzufolge sind größere Sicherheitsabstände zwischen so verlöteten und benachbarten Bauteilen einzuhalten. Aufgrund von Schwankungen und Toleranzen im Fertigungsprozess ist es kaum möglich, Lotmengen exakt zu dosieren. Um Qualitätsprobleme auszuschließen, wird in der Regel etwas mehr Lot angeboten, als es nötig ist. Dies steht einem kompakten Aufbau hinderlich entgegen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Hinblick auf einen weiter zunehmenden Miniaturisierungsdruck, das Ansammeln von überschüssigem Lotmaterial lokal innerhalb einer Elektronikanwendung definiert zu steuern.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung und ein Verfahren zu deren Ausbildung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Ausgegangen wird von einer Verbindungsanordnung, umfassend zumindest einen ersten Verbindungspartner und einen zweiten Verbindungspartner, welche mittels einer zwischen den Verbindungspartnern angeordneten verfestigten Lotschicht mit einer Lotschichtstärke stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dabei weisen die Verbindungspartner jeweils zumindest eine Lotanbindungsfläche auf, die von dem Lotmaterial in einem geschmolzenen Zustand benetzbar sind. Weiterhin sind die Lotanbindungsflächen übereinander angeordnet und zueinander zugewandt, so dass beide jeweils von der verfestigten Lotschicht zumindest bereichsweise kontaktiert sind. Die Lotanbindungsflächen sind jeweils derart ausgebildet, dass eine senkrechte Projektion beider Lotanbindungsflächen aufeinander zumindest eine abgrenzbare Projektionsfläche mit jeweils sich gemeinsam überdeckenden Lotanbindungsflächenanteilen aufweist. Hierbei kann eine der Lotanbindungsflächen als Referenzfläche festgelegt werden, auf welche dann eine senkrechte Projektion der anderen Lotanbindungsfläche erfolgt. Damit lässt sich die abgrenzbare Projektionsfläche als gemeinsamer Überdeckungs- bzw. Überlappungsbereich ausmachen. Bevorzugt sind die Lotanbindungsflächen parallel zueinander angeordnet, weiter insbesondere jeweils als Flächenebene oder Flächenkrümmung. Auf diese Weise lassen sich besonders einfach die Projektionen abbilden und bestimmen. Die abgrenzbare Projektionsfläche weist dann zumindest eine umlaufend geschlossene Umrandung auf mit zumindest einer enthaltenen ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche, an welche sich zumindest eine oder mehrere weitere Projektionsteilflächen unmittelbar anschließen. Grundsätzlich ist das Lotmaterial im geschmolzenen bzw. flüssigen Zustand bemüht, seinen internen Flüssigkeitsdruck zu minimieren. Dabei versucht das Lotmaterial die bei einer Benetzung der Verbindungspartner sich bildenden Krümmungsradien zu maximieren. Eine Abhängigkeit der Krümmungsradien und des Flüssigkeitsdruckes im Lotmaterial ist in der allgemein bekannten Young-Laplace-Gleichung aufgezeigt. Erwünscht ist nun eine erste zusammenhängende Projektionsteilfläche, welche in Ihrer Strukturgröße im Vergleich zu der einen oder zu jeweils den weiteren angeschlossenen Projektionsteilflächen größer ausfällt. Eine große Struktur führt nämlich zu einem energetisch günstigeren großen Krümmungsradius im Bereich des jeweiligen Lotanbindungsflächenanteils, wogegen kleine Strukturen zu einem energetisch ungünstigen kleinen Krümmungsradius führt. Somit ist für die Einstellung einer definierten Lotschichtstärke ein der weiteren Projektionsteilfläche/n jeweils entsprechender Lotanbindungsflächenanteil als ein Auslaufsammelbereich für überschüssiges Lotmaterial zwischen den Verbindungspartnern ausgebildet. Dies erfolgt indem innerhalb der abgrenzbaren Projektionsfläche eine für die Benetzung der Lotanbindungsflächenanteile durch das Lotmaterial im geschmolzenen Zustand maßgebliche Strukturgröße bei der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche größer ausgebildet ist, als bei der einen bzw. den mehreren weiteren Projektionsteilflächen. Das Lotmaterial benetzt bzw. füllt daher in einem flüssigen Zustand zuerst die Lotanbindungsflächenanteile im Bereich der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche mit der im Vergleich größeren Strukturgröße. Erst danach benetzt bzw. fließt das flüssige Lotmaterial dann in den Überlaufbereich mit dem im Vergleich kleineren Strukturgröße, nämlich der einen oder den mehreren weiteren Projektionsteilflächen. Die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche wird in ihrer Größe und Formgestalt damit derart ausgelegt, dass sie einen für die Anwendung erforderlichen funktionalen Lotverbindungsbereich ausbildet, welcher alle geforderten Qualitätskriterien prozesssicher erfüllt. Die weiteren Projektionsteilflächen wirken dagegen als Pufferbereiche, in welchen - erst nachdem der geforderte funktionale Lotverbindungsbereich vollständig ausgebildet ist - überschüssiges Lotmaterial gezielt lokal abfließen und gesammelt werden kann. Je nach Menge des vorhandenen Lotüberschusses werden die Lotanbindungsflächenanteile im Bereich der einen oder mehreren Projektionsteilflächen mehr oder weniger bereichsweise von einer dann verfestigten Lotschicht kontaktiert. Dies begünstigt auch die Fertigung dahin, als dass prozessbedingte Schwankungen und Toleranzen einfach über den Pufferbereich aufgefangen werden können und trotzdem die elektrische und/oder mechanische Funktionalität des Lotverbindungsbereiches immer sichergestellt bleibt. Durch die gesteuerte lokale Pufferung überflüssigen Lotmaterials können für die Anwendung anderweitig nutzbare Flächen eindeutig bestimmt werden, was vorteilhaft dann auf eine kompaktere Ausführung abzielen kann.
Für eine elektronische Anwendung können als der eine oder beide Verbindungspartner jeweils insbesondere ein bestückbarer Substratträger vorgesehen sein. Beispielhaft kommen DBC- (Double Bonded Copper), AMB- (Active Metal Brazing), LTCC- (Low Temperature Cofired Ceramics), HTCC- (High Temperature Cofired Ceramics) Substrate, Leiterplatten (beispielsweise FR4) oder Flexfolien in Frage. So können weiter beispielhaft zwei gleiche oder unterschiedliche Substratträger in einem Abstand zueinander miteinander verlötet werden. Ebenso kann als einer der Verbindungspartner ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement zum Einsatz kommen. Eine Elektronikvorrichtung kann dabei eine oder mehrere gleiche oder unterschiedliche derartige lokale Verbindungsanordnungen aufweisen. Die Elektronikvorrichtung ist bevorzugt ein kompaktes Leistungsmodul.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Verbindungsanordnung weist die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche die Form eines Quadrates, eines Rechtecks, eines Kreises oder eines Kreissegmentes, eines Ovals, eines Trapezes, eines Dreieckes oder eines insbesondere regelmäßigen Polygons auf. Derartige Formelemente lassen sich einfach aus den Lotanbindungsflächen als die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche abbilden. Zusätzlich können hierbei die Strukturgrößen sehr einfach flächendurchgehend größer gehalten werden, als die im Bereich der zusätzlich anschließenden weiteren Projektionsteilflächen. Damit ist ausgeschlossen, dass bereits Lotanbindungsflächenanteile im Bereich der einen oder der mehreren weiteren Projektionsteilflächen vom flüssigen Lotmaterial benetzt werden, bevor nicht die Lotanbindungsflächenanteile im gesamten Bereich der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche benetzt sind. Damit ist die prozesssichere und definierte Ausbildung des zuvor genannten funktionalen Lotverbindungsbereiches sichergestellt.
In diesem Sinne kann die eine oder die mehreren weiteren Projektionsteilflächen die Form eines Quadrates, eines Rechteckes, eines Trapezes oder eines Dreiecks aufweisen. Weitere Formgestaltungen sind grundsätzlich denkbar. Dann aber immer mit einer kleineren Strukturgröße als die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche. Eine allgemeine einfache Überprüfung für die Strukturgröße ist durch die Bestimmung eines ersten maximalen Durchmessers eines innerhalb der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche einlegbaren Inkreises und durch die Bestimmung eines zweiten maximalen Durchmessers eines innerhalb eines der weiteren Projektionsteilflächen einlegbaren Inkreises ermöglicht. Dabei berührt der Inkreis die Umrandung der jeweiligen Fläche und lässt keinen größeren Durchmesser zu, ohne dann über die Umrandung hervorzustehen. Bei einer rechteckigen Formgestalt der Fläche beispielsweise entspricht ein solcher maximale Durchmesser eines einlegbaren Inkreises der Breite des Rechteckes. Prozesssichere Ausbildungen eines zuvor genannten funktionalen Lotverbindungsbereiches lassen sich insbesondere dann erreichen, wenn der erste maximale Durchmesser ein Vielfaches des zweiten maximalen Durchmessers beträgt, beispielsweise mehr als das 2-fache, insbesondere mehr als das 5-fache oder 10-fache.
In einer Weiterbildung der Verbindungsanordnung weist die abgrenzbare Projektionsfläche mehrere weitere Projektionsteilflächen auf, welche zumindest als eine zusammenhängende Gruppe entlang zumindest eines Randabschnittes der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche zueinander beabstandet angeordnet sind. Dabei sind weiteren Projektionsteilflächen insbesondere kammartig in gleichen Abständen zueinander innerhalb der zumindest einer zusammenhängenden Gruppe oder allen Gruppen angeordnet. Auf diese Weise kann der Pufferbereich flexibel anpassbar an eine lokale Stelle der Verbindungsanordnung gelegt werden, welche frei von Bauteilen ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die weiteren Projektionsteilflächen umlaufend zur ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein maximaler Pufferbereich für überschüssiges Lotmaterial bereitgestellt werden. Eine sehr einfache Bereitstellung erfolgt allgemein, wenn eine jeweilige Orientierungsachse insbesondere aller weiteren Projektionsteilflächen senkrecht zum Randabschnitt der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche ausgerichtet ist. Dabei sind beispielsweise alle weiteren Projektionsteilflächen zusätzlich form- und größengleich ausgeführt. Alternativ können die weiteren Projektionsteilflächen innerhalb einer zusammenhängenden Gruppe oder zwischen mehreren Gruppen sich jeweils mit zueinander unterschiedlichen Längenmaßen von der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche weg erstrecken. Damit wird bewirkt, dass ein ansonsten aufgrund des Flüssigkeitsdruckes des flüssigen Lotmaterials bedingtes unterschiedlich starkes Befüllen der weiteren Projektionsteilflächen ausnivelliert werden kann. Sobald ein in seinem Längenmaß kürzer gehaltenes und ansonsten stärker befüllter weiterer Projektionsflächenanteil vollständig ausgefüllt ist, werden andere ansonsten nicht so stark befüllte Projektionsflächenanteile stärker befüllt. Zusätzlich kann der Effekt dazu genutzt werden, mechanisch stark beanspruchte Randstellen des zuvor genannten funktionalen Lotverbindungsbereichs zu verstärken, indem an diesen Stellen weitere Projektionsteilflächen angeordnet sind, die aufgrund abgestimmter Längenmaße stärker mit überschüssigen Lotmaterial befüllt werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Verbindungsanordnung weist die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche zwei spiegelbildlich, insbesondere geradlinig verlaufende Randabschnitte auf, wobei die mehreren weiteren Projektionsteilflächen ausschließlich entlang eines Randabschnittes angeordnet sind. Vorteilhaft können dann unmittelbar neben dem freien Randabschnitt weitere Bauteile der Verbindungsanordnung, beispielsweise elektrische und/oder elektronische Bauelemente, platziert werden, ohne dass ein Kontakt mit einem überschüssigen Lotmaterial befürchtet werden muss. Weiter alternativ können die weiteren Projektionsteilflächen entlang beider Randabschnitte angeordnet sein, insbesondere jeweils gegenüberliegend oder versetzt zueinander. Dies bietet sich vor allem bei kleinen Strukturgrößen der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche an, um einen ausreichenden Pufferbereich auf ansonsten kleiner Fläche bereitstellen zu können.
Allgemein von Vorteil ist es, wenn alle weiteren Projektionsteilflächen form- und größengleich ausgebildet sind, wobei ein Breitenmaß einer weiteren Projektionsteilfläche dem einfachen oder Vielfachen eines zwischen zwei Projektionsteilflächen ausgebildeten Lückenmaßes beträgt, beispielsweise dem 2-fachen, insbesondere dem 5-fachen oder 10-fachen. Das Lückenmaß bemisst sich dabei insbesondere zwischen den Stellen, wo die jeweiligen Projektionsteilflächen in die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche übergehen. Das Lückenmaß kann sich dabei bis auf das fertigungsbedingt kleinste Strukturmaß bewegen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Verbindungsanordnung sind derart, dass die weiteren Projektionsteilflächen zusammen 10 - 50 % der Flächengröße der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche entsprechen. Hiermit kann eine benötigte Puffergröße auf die in der Fertigung erreichbaren Toleranzen und Schwankungen angepasst dimensioniert werden. Ebenso können zulässige Toleranzen erhöht werden, falls damit die Fertigungskosten vorteilhaft gesenkt werden können.
Eine gleich umlaufend geschlossene Umrandung der abgrenzbaren Projektionsfläche kann durch unterschiedliche Formgestaltungen der Lotanbindungsflächen der beiden Verbindungspartner erhalten werden. Grundsätzlich zeigt sich ein Vorteil, wenn die zumindest eine umlaufend geschlossene Umrandung der abgrenzbaren Projektionsfläche einer oder sogar beiden Lotanbindungsflächen entspricht. Auf diese Weise können die Lotanbindungsflächen insgesamt sehr kompakt gehalten werden und aufwandsgünstig hergestellt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die eine Lotanbindungsfläche vollständig von der anderen Lotanbindungsfläche überdeckt ist.
In einer weiteren günstigen Ausführungsform der Verbindungsanordnung entspricht ein Randverlauf zumindest einer oder mehrerer ersten weiteren Projektionsteilflächen einer Teilumrandung einer der Lotanbindungsflächen und entspricht ein Randverlauf zumindest einer oder mehrerer zweiter weiteren Projektionsteilflächen einer Teilumrandung der anderen Lotanbindungsfläche. Auf diese Weise sind ganz unterschiedliche Anwendungsanforderungen umsetzbar.
Insbesondere für die Anwendung in Leistungsmodulen haben sich Ausführungsformen der Verbindungsanordnung bewährt, bei welcher der erste Verbindungspartner ein keramisches Trägersubstrat ist, beispielsweise ein AMB- (Active Metall Brazing), ein DBC- (Double Bonded Copper), ein LTCC- (Low Temperature Cofired Ceramic, ein HTCC- (High Temperatur Cofired Ceramic) oder ein IMS-(Insulated Metall) Substrat. Damit können hohe Leistungsströme geführt werden. Als zweiter Verbindungspartner kommt dann beispielsweise ein Leistungshalbleiter in Frage, welcher derartig hohe Leistungsströme führt, beispielsweise als Teil einer B2- oder B6-Brücke. Alternativ ist der zweite Verbindungspartner eine Flexfolie. Die Flexfolie umfasst dabei beispielsweise eine Umverdrahtungsebene zur Anbindung des Leistungsmodules an eine Ansteuerelektronik. Die Ansteuerelektronik kann hierbei Schaltzustände von Leistungshalbleiter des Leistungsmodules ansteuern, beispielsweise als der Teil einer B2- oder B6-Brücke. Die Lotanbindungsflächen sind insbesondere als Metallisierungsflächen auf dem keramischen Trägersubstrat und/oder der Flexfolie ausgebildet.
Die Erfindung führt auch zu einem Verfahren zur Ausbildung einer Verbindungsanordnung, insbesondere in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Das Verfahren umfasst dabei nachfolgende Verfahrensschritte:

a) Ausbilden jeweils einer Lotanbindungsfläche auf den Verbindungspartnern, wobei die Lotanbindungsflächen für ein Lotmaterial im geschmolzenen Zustand benetzbar sind, wobei die Lotanbindungsflächen jeweils derart ausgebildet werden, dass in einer Anordnung der beiden Verbindungspartner gemäß dem Verfahrensschritt
b) in einer senkrechten Projektion beider Lotanbindungsflächen aufeinander zumindest eine Projektionsfläche mit jeweils sich gemeinsam überdeckenden Lotanbindungsflächenanteilen abgegrenzt wird, wobei die abgrenzbare Projektionsfläche zumindest eine umlaufend geschlossene Umrandung aufweist mit zumindest einer enthaltenen ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche, an welche sich zumindest eine oder mehrere weitere Projektionsteilflächen unmittelbar anschließen,
- b) Anordnen der beiden Verbindungspartner übereinander mit zueinander zugewandten, insbesondere parallel ausgerichteten Lotanbindungsflächen und mit einem Abstand zueinander, wobei zwischen den Lotanbindungsflächen ein Lotmaterial angeordnet wird, wobei eine ausreichende Lotmenge gewählt wird, zur Ausbildung einer verfestigten Lotschicht mit einer definierten Umrandung und Schichtstärke,
c) Aufschmelzen des Lotmaterials zur Benetzung der Lotanbindungsflächenanteile, wobei zuerst alle Lotanbindungsflächen innerhalb der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche benetzt werden und in Abhängigkeit eines überschüssigen Lotmaterials erst im Anschluss die restlichen Lotanbindungsflächen innerhalb der weiteren Projektionsteilflächen zumindest bereichsweise benetzt werden,
d) Abkühlen des Lotmaterials, wobei im Bereich der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche die Lotschicht mit einer der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche entsprechenden Umrandung und mit der definierten Schichtstärke ausgebildet wird, wobei überschüssiges Lotmaterial im Bereich der weiteren Projektionsteilflächen gepuffert wird.

Das Lotmaterial kann beispielsweise als Lotpaste auf einer der Lotanbindungsflächen aufgebracht werden, beispielsweise mittels eines Lotpastendruckprozesses. Alternativ liegt das Lotmaterial als Lotformteil vor, welches auf einer der Lotanbindungsflächen angeordnet wird. Das Schmelzen erfolgt insbesondere durch ein Tempern der Verbindungsanordnung oberhalb einer Schmelztemperatur des Lotmaterials. Die im Bereich der ersten zusammenhängenden Projektionsfläche ausgebildete Lotschicht entspricht dabei einem erforderlichen funktionalen Lotverbindungsbereich der Verbindungsanordnung. Der funktionale Lotverbindungsbereich übernimmt dabei beispielsweise eine elektrische und/oder mechanische Funktion, insbesondere innerhalb der Verbindungsanordnung als Teil einer Elektronikanwendung, beispielsweise einem Leistungsmodul.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

1: eine Verbindungsanordnung in einer seitlichen Schnittdarstellung,
2: Lotanbindungsflächen und beispielhaft eine von dieser abgrenzbaren Projektionsfläche bei einer senkrechten Projektion von einer Sicht A oder B,
3: eine weitere beispielhaft ausgebildete Lotschicht innerhalb der Verbindungsanordnung aus 1,
4a - d: weitere beispielhafte abgrenzbare Projektionsflächen.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind funktional gleiche Bauelemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der 1 ist rein schematisch eine Verbindungsanordnung 100 in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Die Verbindungsanordnung 100 umfasst dabei zwei Verbindungspartner 10, 20, welche stofflich miteinander verbunden sind. Die Verbindungsanordnung 100 ist beispielsweise Teil einer Elektronikvorrichtung, weiter beispielsweise Teil eines Leistungsmodules. Einer der Verbindungspartner 20 ist bevorzugt ein Schaltungsträger, insbesondere ein keramisches Trägersubstrat, beispielsweise ein AMB-, ein DBC-, ein LTCC-, ein HTCC- oder ein IMS-Substrat. Der andere Verbindungspartner 10 ist beispielhaft ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement, weiter beispielshaft ein Teil einer Leistungselektronik des Leistungsmodules, insbesondere einer B2- oder B6-Brücke. Alternativ ist der andere Verbindungspartner 10 ein weiteres Trägersubstrat, wie die bereits benannten oder eine Leiterplatte oder eine Flexfolie. Das weitere Trägersubstrat 10 umfasst insbesondere eine Umverdrahtungsebene, insbesondere zur elektrischen Kontaktierung eine Ansteuervorrichtung des Leistungsmodules.
Zwischen den Verbindungspartnern 10, 20 ist eine verfestigte Lotschicht 30 mit einer Lotschichtstärke s angeordnet. Die Lotschichtstärke s ist beispielhaft mittels innerhalb der Lotschicht 30 enthaltenen Abstandshalter 31 definiert eingestellt. Beide Verbindungspartner 10, 20 weisen jeweils eine Lotanbindungsfläche 15, 25 auf. Diese sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel zueinander und zueinander zugewandt angeordnet. Beispielsweise sind sie als lokale Metallisierungen auf Oberseiten des jeweiligen Verbindungspartners 10, 20 aufgebracht. Je nach Formgestaltung der Lotanbindungsflächen 15, 25 und in Abhängigkeit einer in der Lotschicht 30 enthaltenen Lotmenge sind diese zumindest bereichsweise kontaktiert.
In der 2 sind beispielhafte Formgestaltungen der Lotanbindungsflächen 15, 25 in einer Sicht A bzw. B gezeigt. So ist beispielsweise in der Figur oben die Lotanbindungsfläche 15 des ersten Verbindungspartners 10 gezeigt. Dagegen ist dann in der Figur unten die Lotanbindungsfläche 25 des zweiten Verbindungspartners 20 gezeigt. In der Mitte der Figur links ist eine senkrechte Projektion beider Lotanbindungsflächen 15, 25 aufeinander gezeigt. Die dargestellte Projektionsfläche P umfasst dabei Lotanbindungsflächenanteile 12, die sich gemeinsam überdecken, d.h. einen gemeinsamen Überlappungsbereich ausbilden. Die Projektionsfläche P lässt sich dabei in eine strukturell größere erste zusammenhängende Projektionsteilfläche P1 und mehrere strukturell kleinere weitere Projektionsteilflächen P2 unterteilen, welche sich wiederrum direkt an die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche P1 anschließen. Damit weist die abgrenzbare Projektionsfläche P eine geschlossen umlaufende Umrandung auf. Die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche P1 ist beispielsweise als längliches Rechteck ausgebildet. Alle weiteren Projektionsteilflächen P2 sind beispielsweise ebenfalls rechteckig ausgeformt und entlang eines Randschnittes der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche P1 angeordnet. Bevorzugt weisen die weiteren Projektionsteilflächen P2 gleiche Abstände zueinander auf, insbesondere mit gleichen Lückenmaßen b zwischen einander. Auf diese Weise ergibt sich einseitig eine Art Kammstruktur. Grundsätzlich kann sich die Projektionsfläche P in dieser Form durch unterschiedliche Formgestaltungen der jeweiligen Lotanbindungsflächen 15, 25 abgrenzen. Im dargestellten Beispiel entspricht die abgrenzbare Projektionsfläche P genau der Formgestaltung der Lotanbindungsfläche 15 des ersten Verbindungspartners 10. Die Lotanbindungsfläche 25 des zweiten Verbindungspartners 20 weist zwar die gleichen Außenmaße 2A, 2B wie die Außenmaße 1A, 1B der Lotanbindungsfläche 15 auf, ist jedoch vollflächig als Rechteck ausgeformt. Die gleiche Projektionsfläche P würde sich auch ergeben, wenn eines der Außenmaße 2A, 2B oder beide größer sind als die Außenmaße 1A, 1B. Gleiches gilt, wenn die Lotanbindungsfläche 25 über alle Außenmaße 1A, 1B übersteht mit einer von einem Rechteck abweichenden Formgestaltung. Entsprechen sich die beiden Lotanbindungsflächen 15, 25 in ihrer Formgestaltung wie die der Lotanbindungsfläche 15, ergibt sich ebenfalls die Projektionsfläche P in gezeigter Form. Die Strukturgröße der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche P1 ist grundsätzlich größer als die der weiteren Projektionsteilflächen P2. Dies zeigt sich insbesondere im Vergleich von jeweils maximal in die Projektionsteilflächen P1, P2 einlegbaren Inkreisen. So ergibt sich innerhalb der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche P1 ein maximaler Durchmesser D1 des Inkreises, welcher größer ist, als ein maximaler Durchmesser D2 innerhalb der jeweiligen weiteren Projektionsteilflächen P2. Die Durchmesser D1, D2 entsprechen in diesem Beispiel auch den jeweiligen Breiten der Rechteckflächen. Aufgrund der Strukturgrößenunterschiede ergibt sich eine gesteuerte Benetzung der Lotanbindungsflächenanteile 12, wenn das Lotmaterial in Ausbildung der Verbindungsanordnung im flüssigen Zustand vorliegt. So wird das flüssige Lotmaterial dem Prinzip des minimierten Lotflüssigkeitsdruckes folgend, immer zuerst die Lotanbindungsflächenanteile 12 im Bereich der ersten zusammenhängenden Projektionsfläche P1 aufgrund ihrer größeren Strukturgröße vollständig benetzen, bevor anschließend die Lotanbindungsflächenanteile 12 im Bereich der weiteren Projektionsteilflächen P2 bereichsweise benetzt bzw. befüllt werden. Die Lotmenge für die sich zwischen den beiden Verbindungspartnern 10, 20 ausbildende Lotschicht 30 ist so bemessen, dass sich ein funktional erforderlicher Lotverbindungsbereich mit einer definierten Lotschichtstärke s innerhalb der ersten zusammenhängenden Projektionsfläche P1 sicher und vollständig ausbildet. Für das überschüssige Lotmaterial wirken die Lotanbindungsflächenanteile 12 im Bereich der weiteren Projektionsleitflächen P2 dann als ein definierter Auslaufsammelbereich, welche in Abhängigkeit der überschüssigen Lotmenge mehr oder weniger stark kontaktiert werden. In der Mitte der 2 rechts ist die ausgebildete verfestigte Lotschicht 30 mit einer definierten Lotschichtstärke s gezeigt. Der Auslaufsammelbereich zeigt ein unterschiedlich starkes Befüllen der Lotanbindungsflächenanteile 12 im Bereich der jeweiligen weiteren Projektionsteilflächen P2. Insbesondere ergibt sich eine jeweilige Auslauffront entlang eines Kreissegmentes mit R2. Dies ist dem Bestreben des Lotmaterials zur Einstellung eines minimalen Lotflüssigkeitsdruckes geschuldet. Eine Ausnivellierung der Auslauffronten lässt sich erreichen, indem die weiteren Projektionsteilflächen P2 mit der weitesten Auslauffront verkürzt ausgebildet sind. So zeigt die 3 eine Projektionsfläche P, bei welcher die Längen I1, Ix der jeweiligen weiteren Projektionsteilflächen P2 von einer äußeren Anordnung bis zu einer inneren Anordnung zunehmend verkürzt sind. Im Vergleich zu der Ausführung wie in der 2 haben sich die innenliegenden Auslauffronten verkürzt, während sich die äußeren Auslauffronten insgesamt verlängert haben.
Die Ausbildung der Verbindungsanordnung erfolgt sehr einfach. Hierfür werden auf den beiden Verbindungspartnern 10, 20 entsprechend zuvor beschriebene Lotanbindungsflächen 15, 25 ausgebildet. Beide Verbindungspartner 10, 20 werden dann übereinander mit zueinander zugewandten, insbesondere parallel ausgerichteten Lotanbindungsflächen und mit einem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den Lotanbindungsflächen 15, 25 wird ein Lotmaterial angeordnet, beispielsweise in Form einer aufgedruckten Lotpaste oder eines Lotformteiles. Daraufhin wird die Anordnung oberhalb einer Schmelztemperatur des Lotmaterials getempert und das Lotmaterial aufgeschmolzen. Mit einer Abkühlung des Lotmaterials wird die zuvor beschriebene verfestigte Lotschicht 30 ausgebildet. Die Einstellung einer definierten Lotschichtstärke s kann dadurch sichergestellt werden, dass mittels eines Werkzeughalteelementes 50 während des Tempern bis zur Verfestigung des Lotmaterials zumindest einer der Verbindungspartner 10, 20 derart Kraftbeaufschlagt wird, dass er gegen die Abstandselemente 31 gedrückt und gehalten wird. Die Höhe der Abstandselemente 31 bestimmt dann die definierte Lotschichtstärke s. Grundsätzlich zeigen nicht kontaktierte Lotanbindungsflächenanteile 12 im Bereich der weiteren Projektionsteilflächen P2 ein Maß für eine noch verbliebene Pufferkapazität für überschüssiges Lotmaterial.
In den 4a bis 4d sind andere Ausgestaltungen der Verbindungsanordnung 100 gezeigt. Insbesondere zeigen sie in Abhängigkeit der ausgeformten jeweiligen Lotanbindungsflächen 15, 25 unterschiedliche abgrenzbare Projektionsflächen P.
Die 4a zeigt eine Projektionsfläche P, welche im Vergleich zur Projektionsfläche wie in 2 gezeigt, weitere Projektionsteilflächen P2 aufweist, welche sich gegenüberliegend und entlang der beiden langen Randabschnitte I und II angeordnet sind. Alternativ können die weiteren Projektionsteilflächen P2 der jeweiligen Randabschnitte I, II zueinander versetzt sein.
Die 4b zeigt eine Projektionsfläche P, welche im Vergleich zu den Projektionsflächen wie in den 2 und 4a gezeigt, eine quadratische erste zusammenhängende Projektionsteilfläche P1 aufweist. Die weiteren Projektionsteilflächen P2 sind dabei umlaufend zur ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche P1 angeordnet.
In 4c ist eine weitere Projektionsfläche P gezeigt, welche im Vergleich zu den bisher gezeigten Projektionsflächen eine dreieckige erste zusammenhängende Projektionsteilfläche P1 aufweist. Die weiteren Projektionsteilflächen P2 sind ebenfalls dreieckig ausgeformt und entlang einer der Dreieckseiten oder entlang zweien oder dreien der Dreieckseiten (nicht gezeigt) angeordnet.
In 4d ist eine weitere Projektionsfläche P gezeigt, welche im Vergleich zur Projektionsfläche P wie in 4a gezeigt, weitere Projektionsteilflächen P2 lediglich im äußeren Bereich der rechteckigen ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche P1 aufweist.
Grundsätzlich sind noch Formgestalten anderer Projektionsflächen P denkbar, insbesondere als Kombination zumindest zweier oder mehrerer der beschriebenen Projektionsteilflächen P1, P2. In eine solche Kombination können noch nachfolgende Ausführungen mit eingeschlossen sein. So kann die erste Projektionsteilfläche P1 auch die Form eines Kreises oder eines Kreissegmentes, eines Ovals, eines Trapezes oder eines insbesondere regelmäßigen Polygons aufweisen. Ebenso können die weiteren Projektionsteilflächen P2 die Form eines Quadrates oder Trapezes aufweisen.

Claims

Verbindungsanordnung (100), umfassend einen ersten Verbindungspartner (10) und einen zweiten Verbindungspartner (20), welche mittels einer zwischen den Verbindungspartnern (10, 20) angeordneten verfestigten Lotschicht (30) mit einer Lotschichtstärke (s) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungspartner (10, 20) jeweils zumindest eine Lotanbindungsfläche (15, 25) aufweisen, die von dem Lotmaterial in einem geschmolzenen Zustand benetzbar sind und die übereinander angeordnet sind und jeweils von der verfestigten Lotschicht (30) zumindest bereichsweise kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lotanbindungsflächen (15, 25) jeweils derart ausgebildet sind, dass eine senkrechte Projektion beider Lotanbindungsflächen (15, 25) aufeinander zumindest eine abgrenzbare Projektionsfläche (P) mit jeweils sich gemeinsam überdeckenden Lotanbindungsflächenanteilen (12) aufweist, - wobei die abgrenzbare Projektionsfläche (P) zumindest eine umlaufend geschlossene Umrandung aufweist mit zumindest einer enthaltenen ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1), an welche sich zumindest eine oder mehrere weitere Projektionsteilflächen (P2) unmittelbar anschließen, - und wobei für die Einstellung einer definierten Lotschichtstärke (s) ein der weiteren Projektionsteilfläche/n (P2) jeweils entsprechender Lotanbindungsflächenanteil (12) als ein Auslaufsammelbereich für überschüssiges Lotmaterial zwischen den Verbindungspartnern (10, 20) ausgebildet ist, indem innerhalb der abgrenzbaren Projektionsfläche (P) eine für die Benetzung der Lotanbindungsflächenanteile (12) durch das Lotmaterial im geschmolzenen Zustand maßgebliche Strukturgröße (D1, D2) bei der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) größer ausgebildet ist, als bei der/den weitere/n Projektionsteilfläche/n (P2).
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotanbindungsflächen (15, 25) parallel zueinander angeordnet sind.
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche (P1) die Form eines Quadrates, eines Rechtecks, eines Kreises oder eines Kreissegmentes, eines Ovals, eines Trapezes, eines Dreieckes oder eines insbesondere regelmäßigen Polygons aufweist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere/n Projektionsteilfläche/n (P2) die Form eines Quadrates, eines Rechteckes, eines Trapezes oder eines Dreiecks aufweist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgrenzbare Projektionsfläche (P) mehrere weitere Projektionsteilflächen (P2) aufweist, welche zumindest als eine zusammenhängende Gruppe entlang zumindest eines Randabschnittes (I, II) der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) zueinander beabstandet angeordnet sind, insbesondere kammartig in gleichen Abständen zueinander innerhalb der zumindest einer zusammenhängenden Gruppe oder allen Gruppen.
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zusammenhängende Projektionsteilfläche (P1) zwei spiegelbildlich, insbesondere geradlinig verlaufende Randabschnitte (I, II) aufweist, wobei die mehreren weiteren Projektionsteilflächen (P2) ausschließlich entlang eines Randabschnittes (I) angeordnet sind oder entlang der beiden Randabschnitte (I, II), insbesondere jeweils gegenüberliegend oder versetzt zueinander.
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Projektionsteilflächen (P2) umlaufend zur ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) angeordnet sind.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle weiteren Projektionsteilflächen (P2) gleich ausgebildet sind, wobei ein Breitenmaß einer weiteren Projektionsteilfläche (P2) dem einfachen oder Vielfachen eines zwischen zwei weiteren Projektionsteilflächen (P2) ausgebildeten Lückenmaßes beträgt, beispielsweise dem 2-fachen, insbesondere dem 5-fachen oder 10-fachen.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Projektionsteilflächen (P2) 10 - 50 % der Flächengröße der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) entspricht.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufend geschlossene Umrandung der abgrenzbaren Projektionsfläche (P) zumindest einer umlaufend geschlossenen Umrandung einer oder beider Lotanbindungsflächen (15, 25) entspricht.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Lotanbindungsfläche (15) vollständig von der anderen Lotanbindungsfläche (25) überdeckt ist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randverlauf zumindest einer oder mehrerer weiteren Projektionsteilflächen (P2) einer Teilumrandung einer der Lotanbindungsfläche (15, 25) entspricht/entsprechen und ein Randverlauf zumindest einer oder mehrerer anderer weiteren Projektionsteilflächen (P2) einer Teilumrandung der anderen Lotanbindungsfläche (15, 25) entspricht/entsprechen.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturgröße durch einen ersten maximalen Durchmesser (D1) eines Inkreises innerhalb der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) und durch einen zweiten maximalen Durchmesser (D2) eines Inkreises innerhalb eines der weiteren Projektionsteilflächen (P2) bestimmt ist, wobei der erste maximale Durchmesser (D1) ein Vielfaches des zweiten maximalen Durchmessers (D2) beträgt, beispielsweise mehr als das 2-fache, insbesondere mehr als das 5-fache oder 10-fache.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungspartner (10) ein keramisches Trägersubstrat ist, beispielsweise ein AMB-, ein DBC-, ein LTCC-, ein HTCC- oder ein IMS-Substrat, und der zweite Verbindungspartner eine Flexfolie ist.
Verfahren zur Ausbildung einer Verbindungsanordnung (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend einen ersten und einen zweiten Verbindungspartner (10, 20), mit den nachfolgenden Verfahrensschritten: e) Ausbilden jeweils einer Lotanbindungsfläche (15, 25) auf den Verbindungspartnern (10, 20), wobei die Lotanbindungsflächen (15, 25) für ein Lotmaterial im geschmolzenen Zustand benetzbar sind, wobei die Lotanbindungsflächen (15, 25) jeweils derart ausgebildet werden, dass in einer Anordnung der beiden Verbindungspartner (10, 20) gemäß dem Verfahrensschritt b) in einer senkrechten Projektion beider Lotanbindungsflächen (15, 25) aufeinander zumindest eine Projektionsfläche (P) mit jeweils sich gemeinsam überdeckenden Lotanbindungsflächenanteilen (12) abgegrenzt wird, wobei die abgrenzbare Projektionsfläche (P) zumindest eine umlaufend geschlossene Umrandung aufweist mit zumindest einer enthaltenen ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1), an welche sich zumindest eine oder mehrere weitere Projektionsteilflächen (P2) unmittelbar anschließen, f) Anordnen der beiden Verbindungspartner (10, 20) übereinander mit zueinander zugewandten, insbesondere parallel ausgerichteten Lotanbindungsflächen (15, 25) und mit einem Abstand zueinander, wobei zwischen den Lotanbindungsflächen (15, 25) ein Lotmaterial angeordnet wird, wobei eine ausreichende Lotmenge gewählt wird, zur Ausbildung einer verfestigten Lotschicht (30) mit einer definierten Umrandung und Schichtstärke (s), g) Aufschmelzen des Lotmaterials und Benetzen der Lotanbindungsflächenanteile (12), wobei zuerst alle Lotanbindungsflächenanteile (12) innerhalb der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) benetzt werden und in Abhängigkeit eines überschüssigen Lotmaterials erst im Anschluss die restlichen Lotanbindungsflächenanteile (12) innerhalb der weiteren Projektionsteilflächen (P2) zumindest bereichsweise benetzt werden, h) Abkühlen des Lotmaterials, wobei im Bereich der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) die Lotschicht (30) mit einer der ersten zusammenhängenden Projektionsteilfläche (P1) entsprechenden Umrandung und mit der definierten Schichtstärke (s) ausgebildet wird, wobei überschüssiges Lotmaterial im Bereich der weiteren Projektionsteilflächen (P2) gepuffert wird.