DE102022201411A1

DE102022201411A1 - Process for manufacturing an electronic circuit by selective diffusion soldering using directed diffusion

Info

Publication number: DE102022201411A1
Application number: DE102022201411.1A
Authority: DE
Inventors: Torsten Scheller; Walter Gräf; Michael Fügl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2023-08-17

Abstract

Ein Verfahren (100) zum Herstellen einer elektronischen Schaltung umfasst ein Bereitstellen (105) einer Leiterplatte mit einer Kontaktfläche, eines Bauteils mit einem Kontaktelement und eines Lotdepots zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement, sowie ein Anordnen (110) des Lotdepots und des Kontaktelements auf der Kontaktfläche, wobei das Lotdepot zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement angeordnet wird, und ein Bewirken (115) einer gerichteten Diffusion zwischen dem Lotdepot und dem Kontaktelement, um das Kontaktelement mit der Leiterplatte zu verbinden.A method (100) for producing an electronic circuit comprises providing (105) a printed circuit board with a contact surface, a component with a contact element and a solder depot for producing a soldered connection between the contact surface and the contact element, and arranging (110) the solder depot and of the contact element on the contact surface, wherein the solder deposit is arranged between the contact surface and the contact element, and effecting (115) a directed diffusion between the solder deposit and the contact element in order to connect the contact element to the circuit board.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Schaltung und eine Schaltung.The present invention relates to a method of manufacturing an electronic circuit and a circuit.

Zur Fertigung elektronischer Systeme sind oft nachträgliche Verbindungen zur bestückten und gelöteten Leiterplatte (PCB) zu realisieren, um zum Beispiel Sensoren oder Leistungsbauelemente anzusteuern. Die Temperaturbeständigkeit der Leiterplatte und der Lötverbindung bestimmt dabei bei gelöteten Schnittstellen die Gesamtbeständigkeit der Verbindung.For the production of electronic systems, subsequent connections to the assembled and soldered printed circuit board (PCB) often have to be implemented in order to control sensors or power components, for example. In the case of soldered interfaces, the temperature resistance of the printed circuit board and the soldered connection determines the overall resistance of the connection.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Schaltung und eine verbesserte Schaltung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background the present invention provides an improved method for manufacturing an electronic circuit and an improved circuit according to the independent claims. Advantageous configurations result from the dependent claims and the following description.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren können hochtemperaturfeste Verbindungen in einer elektronischen Schaltung hergestellt werden, ohne bereits geschaffene Lötstellen zu beeinflussen. Dadurch können Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Schaltung optimiert werden.With the method described here, high-temperature-resistant connections can be made in an electronic circuit without affecting soldering points that have already been created. This allows the service life and reliability of the circuit to be optimized.

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Schaltung vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer Kontaktfläche, eines Bauteils mit einem Kontaktelement und eines Lotdepots zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement,
Anordnen des Lotdepots und des Kontaktelements auf der Kontaktfläche, wobei das Lotdepot zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement angeordnet wird, und Bewirken einer intermetallischen Phasenverbindung mittels gerichteter Diffusion zwischen dem Lotdepot und dem Kontaktelement, um das Kontaktelement mit der Leiterplatte zu verbinden.

A method for producing an electronic circuit is presented, the method comprising the following steps:

Providing a printed circuit board with a contact surface, a component with a contact element and a solder depot for producing a soldered connection between the contact surface and the contact element,
arranging the solder deposit and the contact element on the contact surface, the solder deposit being arranged between the contact surface and the contact element, and effecting an intermetallic phase connection by means of directed diffusion between the solder deposit and the contact element in order to connect the contact element to the circuit board.

Beispielsweise kann die bereitgestellte Leiterplatte ein Netz aus signalübertragungsfähigen, beispielsweise aus Kupfer ausgebildeten, Leiterbahnen umfassen und bereits mit einer Mehrzahl an elektronischen Elementen bestückt sein. Dabei kann die Kontaktfläche, oder auch mehrere ähnliche Kontaktflächen, ausgebildet sein, um nachträglich zu einer solchen Bestückung ein zusätzliches Bauteil aufzunehmen und mittels einer Lötverbindung damit verbunden zu werden. Dabei kann für die Lötverbindung beispielsweise ein Sn-Basislot eingesetzt werden. Der niedrige Schmelzpunkt und damit verbunden die relativ hohe Kriechneigung von Sn-Basisloten lässt kaum Toleranzausgleich und mechanische Beanspruchung zu, weil dies die Langlebigkeit der Verbindung negativ beeinflussen würde. Nicht gelötete Lösungen, wie zum Beispiel eine Einpresstechnik, erfordern zumeist eine spezielle Geometrie von Anschlusspins erfordern, welche bei Standardbauelementen zumeist nicht realisiert ist. Durch die Schaffung einer Diffusionslötung mittels gerichteter Diffusion wird mit dem hier vorgestellten Verfahren eine hochtemperaturfeste Verbindung geschaffen, welche mechanisch stabiler als eine konventionelle Lötverbindung ist. Zudem kann eine thermische Überlastung der Leiterplatte während des Herstellungsprozesses vermieden werden, ebenso wie ein wieder Aufschmelzen bereits geschaffene Lötstellen. Damit kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Schaltung optimiert werden. Dies gilt insbesondere für eventuell bereits getätigte Vakuumlötungen gelten, wie zum Beispiel bei Leistungsmodulen auf Kühlkörpern.For example, the printed circuit board provided can comprise a network of signal-transmitting conductor tracks, for example made of copper, and already be equipped with a plurality of electronic elements. In this case, the contact surface, or also several similar contact surfaces, can be designed in order to receive an additional component subsequently to such an assembly and to be connected to it by means of a soldered connection. In this case, for example, an Sn base solder can be used for the soldered connection. The low melting point and the associated relatively high tendency to creep of Sn-based solders hardly allows any tolerance compensation and mechanical stress, because this would have a negative impact on the longevity of the connection. Solutions that are not soldered, such as press-in technology, usually require a special geometry of connection pins, which is usually not implemented with standard components. By creating a diffusion soldering by means of directed diffusion, a high-temperature-resistant connection is created with the method presented here, which is mechanically more stable than a conventional soldered connection. In addition, a thermal overload of the printed circuit board during the manufacturing process can be avoided, as well as a re-melting of solder joints that have already been created. The service life and reliability of the entire circuit can thus be optimized. This applies in particular to any vacuum soldering that may have already been carried out, such as with power modules on heat sinks.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bewirkens die gerichtete Diffusion mittels lokalen einseitigen Erhitzens des Lotdepots seitens des Kontaktelements bewirkt werden. Somit kann das Lotdepot durch das Kontaktelement hindurch erhitzt werden. Beispielsweise kann die Verbindung zwischen der Kontaktfläche der Leiterplatter und dem Kontaktelement des Bauteils mittels gerichteter Diffusion durch einen lokal eng begrenzten einseitigen Wärmeeintrag realisiert werden. Durch die sehr lokale Wärmeeinbringung kann vorteilhafterweise die Beeinflussung realisierter Aufbau- und Verbindungstechnik vermindert werden.According to one embodiment, in the effecting step, the directed diffusion can be effected by means of local one-sided heating of the solder depot on the part of the contact element. The solder depot can thus be heated through the contact element. For example, the connection between the contact surface of the printed circuit board and the contact element of the component can be realized by means of directed diffusion through a locally narrowly limited one-sided heat input. Due to the very local introduction of heat, the effect on the construction and connection technology that has been implemented can advantageously be reduced.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bewirkens das Lotdepot in eine intermetallische Phase überführt werden. Beispielsweise kann ein Sn-Basislotdepot in eine KupferNickelZinn-intermetallische Phase überführt werden. Hierzu kann der Wärmeeintrag zum Beispiel einseitig von der Seite des Bauteils mit dem Kontaktelement erfolgen, wobei diese Seite auch als Anschlusspinoberseite bezeichnet werden kann. Dadurch kann sich eine gerichtete Diffusion einstellen und die intermetallische Phase wächst von der kalten zur warmen Seite des Lotdepots hin. Die intermetallische Verbindung weist vorteilhafterweise einen höheren Schmelzpunkt auf als das Basislotdepot. Beispielsweise kann der Schmelzpunkt der intermetallischen Phase größer als 400°C sein. Auch ist die Kriechneigung dieser Mischbindung gegenüber einer reinen Metallbindung deutlich geringer, was vorteilhafterweise die mechanische Stabilität erhöhen kann.According to a further embodiment, the solder depot can be converted into an intermetallic phase in the effecting step. For example, a Sn base solder depot can be converted into a copper-nickel-tin intermetallic phase. For this purpose, the heat can be introduced, for example, on one side from the side of the component with the contact element, and this side can also be referred to as the top side of the connection pin. As a result, a directed diffusion can set in and the intermetallic phase grows from the cold to the warm side of the solder depot. The intermetallic compound advantageously has a higher melting point than the base solder depot. For example, the melting point of the intermetallic phase can be greater than 400°C. The tendency of this mixed bond to creep is also significantly lower compared to a pure metal bond, which can advantageously increase the mechanical stability.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bewirkens eine Hochstromverbindung zwischen der Leiterplatte und dem Bauteil hergestellt werden. Beispielsweise kann mittels der lokalen Diffusionslötung eine hochtemperaturfeste Verbindung mit einem Schmelzpunkt von über 400°C und nur geringer Kriechneigung hergestellt werden. Vorteilhafterweise kann durch die Herstellung einer hochtemperaturfesten Verbindung eine Hochstromschnittstelle ermöglicht werden. Somit können auch Leistungsbauelemente mechanisch und elektrisch leitfähig kontaktiert werden. Beispielsweise kann die hochtemperaturfeste Verbindung zur Durchleitung von Strömen von mehr als 1 A geeignet sein.According to a further embodiment, a high-current connection can be established between the printed circuit board and the component in the effecting step. For example, using the local diffusion soldering, a high-temperature-resistant connection with a melting point of over 400°C and only a low tendency to creep can be produced. Advantageously, a high-current interface can be made possible by producing a high-temperature-resistant connection. This means that power components can also be contacted in a mechanically and electrically conductive manner. For example, the high-temperature-resistant connection can be suitable for conducting currents of more than 1 A.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bereitstellens das Bauteil als Sensor oder Leistungsbauelement ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Leiterplatte mittels der Diffusionslötung mit einem Sensor, einem Transistor oder einem IGBT-Modul verbunden werden. Vorteilhafterweise kann durch die Diffusionslötung eine hochtemperaturfeste Verbindung zwischen der Leiterplatte und einem solchen Bauelement hergestellt werden. Die Verbindung kann zudem mechanisch belastbarer als eine Lötverbindung sein, um auch dauerhaft einen gewissen Toleranzausgleich und mechanische Entkopplung zu ermöglichen.According to a further embodiment, the component can be designed as a sensor or power component in the step of providing. For example, the printed circuit board can be connected to a sensor, a transistor or an IGBT module by means of diffusion soldering. Advantageously, a high-temperature-resistant connection between the printed circuit board and such a component can be produced by the diffusion soldering. The connection can also be mechanically more resilient than a soldered connection, in order to allow a certain degree of tolerance compensation and mechanical decoupling over the long term.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können im Schritt des Bewirkens Kontakte einer Widerstandsheizung an das Kontaktelement angelegt werden, um einen Stromfluss durch das Kontaktelement zu bewirken. Der Wärmeeintrag kann durch die Widerstandsbeheizung vorteilhafterweise lokal konzentriert erfolgen und gut steuerbar sein.According to a further embodiment, contacts of a resistance heater can be applied to the contact element in the step of bringing about a current flow through the contact element. The heat input can advantageously be locally concentrated due to the resistance heating and be easily controllable.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bewirkens eine Wärmezufuhr in einem Zeitraum von wenigen Millisekunden stattfinden. Beispielsweise kann das Lotdepot für eine geringe Zeitspanne erhitzt werden, um eine gerichtete Diffusion zu bewirken. Wenn das Lotdepot nur lokal begrenzt und nur im Millisekundenbereich beheizt wird, kann vorteilhafterweise eine thermische Interaktion mit der Leiterplatte sowie eine damit verbundene thermische Schädigung der Leiterplatte vermieden werden.According to a further embodiment, heat can be supplied in a period of a few milliseconds in the effecting step. For example, the solder deposit can be heated for a short period of time to cause directional diffusion. If the solder depot is only locally limited and only heated in the millisecond range, thermal interaction with the printed circuit board and thermal damage to the printed circuit board associated therewith can advantageously be avoided.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bewirkens eine Wärmezufuhr über Mehrstufenimpulse gesteuert werden. Beispielsweise können Mehrstufenimpulse eingesetzt werden, sofern eine einmalige Heizung zur Schaffung der Verbindung nicht ausreicht. In einem solchen Fall kann eine geeignete Wärmezufuhr über Mehrstufenimpulse gesteuert werden und somit die Diffusionslotverbindung realisiert werden. Vorteilhafterweise kann bei einer Verwendung von Mehrstufenimpulsen eine thermische Überlastung der Leiterplatte vermieden werden.According to a further embodiment, in the effecting step, a supply of heat can be controlled via multi-stage pulses. For example, multi-level impulses can be used if a single heating is not sufficient to create the connection. In such a case, a suitable supply of heat can be controlled via multi-stage pulses and the diffusion solder connection can thus be implemented. Advantageously, thermal overloading of the printed circuit board can be avoided when using multi-level pulses.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Anordnens das Lotdepot auf die Leiterplatte aufgedruckt werden. Das Lotdepot kann zum Beispiel vor dem Schritt des Bereitstellens im Zuge der Bestückung der Leiterplatte bereits aufgedruckt worden sein. Das hat den Vorteil, dass das Lotdepot materialschonend und kostengünstig aufgebracht werden kann.According to a further embodiment, the solder depot can be printed onto the printed circuit board in the arranging step. The solder depot can, for example, have already been printed on before the step of providing in the course of the assembly of the printed circuit board. This has the advantage that the solder depot can be applied in a material-friendly and cost-effective manner.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Anordnens das Lotdepot auf die Leiterplatte aufgebracht werden. Beispielsweise kann das Lotdepot nach dem Bestücken der Leiterplatte zum Beispiel durch dispensen oder jetten aufgebracht werden. Vorteilhafterweise kann das Lotdepot dadurch kostengünstig und stoffschlüssig mit der Leiterplatte verbunden werden.According to a further embodiment, the solder depot can be applied to the printed circuit board in the arranging step. For example, the solder depot can be applied by dispensing or jetting after the printed circuit board has been populated. Advantageously, the solder depot can be connected to the printed circuit board in a cost-effective and cohesive manner.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bereitstellens das Lotdepot als Lotpreform bereitgestellt werden. Beispielsweise kann für eine Mehrzahl gleicher Leiterplatten auch eine Mehrzahl entsprechender Lotpreformen bereitgestellt werden. Das hat den Vorteil, dass ein passendes Lotdepot kostengünstig hergestellt werden kann.According to a further embodiment, the solder depot can be provided as a solder preform in the providing step. For example, a plurality of corresponding solder preforms can also be provided for a plurality of identical printed circuit boards. This has the advantage that a suitable solder depot can be produced inexpensively.

Der Schritt des Bewirkens kann so ausgeführt werden, dass zumindest eine bereits bestehende Lotverbindung zwischen der Leiterplatte und einem weiteren elektronischen Element nicht erhitzt wird. Nicht erhitzt kann dabei bedeuteten, dass eine Temperatur der Lotverbindung sicher unterhalb eines Schmelzpunkts der Lotverbindung bleibt, sodass die Lotverbindung nicht wieder aufgeschmolzen wird.The effecting step can be carried out in such a way that at least one already existing solder connection between the printed circuit board and a further electronic element is not heated. In this case, not heated can mean that a temperature of the soldered joint remains safely below a melting point of the soldered joint, so that the soldered joint is not melted again.

Zudem wird eine Schaltung vorgestellt mit einer Leiterplatte mit einer Kontaktfläche, einem Bauteil mit einem Kontaktelement und einem Lotdepot zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement. Dabei ist das Lotdepot mittels lokalen einseitigen Erhitzens in eine intermetallische Phase überführbar. Beispielsweise kann es sich bei dem verwendeten Lotdepot um ein Sn-Basislot handeln, das mittels lokalen Erhitzens in eine KupferNickelZinn-intermetallische Phase überführbar sein kann. Vorteilhafterweise ist die hier vorgestellte Schaltung ausgebildet, um hochtemperaturfeste Verbindungen herzustellen, um Hochstromschnittstellen zu ermöglichen.In addition, a circuit is presented with a printed circuit board with a contact surface, a component with a contact element and a solder depot for producing a soldered connection between the contact surface and the contact element. The solder depot can be converted into an intermetallic phase by means of local one-sided heating. For example, the solder depot used can be an Sn base solder which can be converted into a copper-nickel-tin intermetallic phase by means of local heating. The circuit presented here is advantageously designed to produce high-temperature-resistant connections in order to enable high-current interfaces.

Gemäß einer Ausführungsform können die Leiterplatte und das Bauteil unter Verwendung des Lotdepots verbunden sein und das Lotdepot kann die intermetallische Phase aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei der intermetallischen Phase um eine Verbindung von Kupfer, Nickel und Zinn handeln. Vorteilhafterweise ermöglicht die intermetallische Phase das Nutzen der Lötverbindung als Hochstromschnittstelle. Zudem kann die Verbindung eine höhere mechanische Belastbarkeit aufweisen als beispielsweise ein Sn-Basislot und kann dadurch einen dauerhaften Toleranzausgleich und eine mechanische Entkopplung ermöglichen, beziehungsweise die Kriechneigung gegenüber einem Sn-Basislot reduzieren.According to an embodiment, the circuit board and the component can be connected using the solder deposit and the solder deposit can have the intermetallic phase. For example, the intermetallic phase can be a compound of copper, nickel and tin. Advantageously, the intermetallic phase allows the solder joint to be used as a high current interface. In addition, the connection can have a higher mechanical load-bearing capacity than, for example, an Sn base solder and can thus enable permanent tolerance compensation and mechanical decoupling, or reduce the tendency to creep compared to an Sn base solder.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer elektronischen Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Lotdepots während einer gerichteten Diffusion;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung; und
4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung mit einem Lotdepot.

The invention is explained in more detail by way of example with reference to the attached drawings. Show it:

1 a flowchart of a method for producing an electronic circuit according to an embodiment;
2 a schematic cross-sectional view of an embodiment of a solder depot during a directed diffusion;
3 a schematic cross-sectional representation of an embodiment of a circuit; and
4 a schematic cross-sectional view of an embodiment of a circuit with a solder depot.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference symbols are used for the elements which are shown in the various figures and have a similar effect, with a repeated description of these elements being dispensed with.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Herstellen einer elektronischen Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. 1 shows a flow chart of a method 100 for manufacturing an electronic circuit according to an embodiment.

Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 105 des Bereitstellens einer Leiterplatte mit einer Kontaktfläche, eines Bauteils mit einem Kontaktelement und eines Lotdepots zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement. In diesem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 105 des Bereitstellens das Lotdepot lediglich beispielhaft als Lotpreform eines Sn-Basislots bereitgestellt.The method 100 includes a step 105 of providing a printed circuit board with a contact surface, a component with a contact element and a solder depot for producing a soldered connection between the contact surface and the contact element. In this exemplary embodiment, in step 105 of providing, the solder depot is provided as a solder preform of an Sn base solder, merely by way of example.

Auf den Schritt 105 des Bereitstellens folgt er Schritt 110 des Anordnens des Lotdepots und des Kontaktelements auf der Kontaktfläche, wobei das Lotdepot zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement angeordnet wird. Dabei wird lediglich beispielhaft das Lotdepot durch dispensen auf die Leiterplatte aufgebracht. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Lotdepot auch auf die Leiterplatte aufgedruckt werden.Step 105 of providing is followed by step 110 of arranging the solder depot and the contact element on the contact surface, the solder depot being arranged between the contact surface and the contact element. The solder depot is applied to the printed circuit board by dispensing, just as an example. In another embodiment, the solder depot can also be printed onto the printed circuit board.

Das Verfahren 100 umfasst weiterhin einen Schritt 115 des Bewirkens einer gerichteten Diffusion zwischen dem Lotdepot und dem Kontaktelement, um das Kontaktelement mit der Leiterplatte zu verbinden.The method 100 further includes a step 115 of effecting a directed diffusion between the solder deposit and the contact element in order to connect the contact element to the printed circuit board.

In diesem Ausführungsbeispiel wird hierfür das Sn-Basislotdepot seitens des Kontaktelements lokal erhitzt und in eine KupferNickelZinn-intermetallische Phase überführt. Die intermetallische Verbindung weist dann einen höheren Schmelzpunkt (>400°C) als das Basislotdepot auf. Dadurch wird lediglich beispielhaft eine Hochstromverbindung zwischen der Leiterplatte und dem Bauteil hergestellt. Auch ist die Kriechneigung dieser Mischbindung gegenüber einer reinen Metallbindung deutlich geringer, was die mechanische Stabilität erhöht. Der Wärmeeintrag erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel einseitig von der Seite des Kontaktelements, die auch als Anschlusspinoberseite bezeichnet werden kann. Dadurch stellt sich eine gerichtete Diffusion ein und die intermetallische Phase wächst von der kalten zur warmen Seite hin.In this exemplary embodiment, the Sn base solder depot is locally heated by the contact element and converted into a copper-nickel-tin intermetallic phase. The intermetallic compound then has a higher melting point (>400°C) than the base solder depot. As a result, a high-current connection between the printed circuit board and the component is produced merely by way of example. The tendency of this mixed bond to creep is also significantly lower than that of a pure metal bond, which increases the mechanical stability. In this exemplary embodiment, the heat is introduced on one side from the side of the contact element that can also be referred to as the top side of the connection pin. This sets up a directed diffusion and the intermetallic phase grows from the cold to the warm side.

Mit anderen Worten wird durch die Schaffung einer Diffusionslötung mittels gerichteter Diffusion in einem Ausführungsbeispiel eine hochtemperaturfeste Verbindung für Hochstromanwendungen geschaffen, welche mechanisch stabiler als eine konventionelle Lötverbindung ist. Durch den lokalen einseitigen Wärmeeintrag ist die Beeinflussung bereits realisierter Aufbau- und Verbindungstechnik weitgehend ausgeschlossen.In other words, the creation of a diffusion soldering by means of directed diffusion in one exemplary embodiment creates a high-temperature-resistant connection for high-current applications, which is mechanically more stable than a conventional soldered connection. Due to the local, one-sided heat input, it is largely impossible to affect the assembly and connection technology that has already been implemented.

2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Lotdepots 200 während einer gerichteten Diffusion. Das Lotdepot 200 ist in diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Zinn ausgebildet und zwischen zwei Kupferschichten angeordnet. Dabei entspricht die in dieser Figur untere Kupferschicht der Kontaktfläche 205 einer Leiterplatte und die obere Kupferschicht einem Kontaktelement 210, das auch als Anschlusspin oder Anschlussbeinchen bezeichnet werden kann. Durch Erhitzen des Kontaktelements 210 entsteht ein Temperaturgefälle zwischen dem heißen Kontaktelement 210 und der in Bezug zum Kontaktelement 210 kalten Kontaktfläche 205. Durch dieses lokale Erhitzen des Lotdepots 200 von der Seite des Kontaktelements 210 her ist eine gerichtete Diffusion erzeugbar und das Kupfer diffundiert in die Zinnschicht. Als Ergebnis der Diffusion entsteht eine intermetallische Phase 215, die von der kalten zur warmen Seite hin wächst und in diesem Ausführung eine homogene Verbindung der beiden Metalle Kupfer und Zinn darstellt (Cu₆Sn₅). 2 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a solder deposit 200 during a directed diffusion. In this exemplary embodiment, the solder depot 200 is formed using tin and is arranged between two copper layers. In this case, the lower copper layer in this figure corresponds to the contact surface 205 of a printed circuit board, and the upper copper layer corresponds to a contact element 210, which can also be referred to as a connection pin or connection leg. Heating the contact element 210 creates a temperature gradient between the hot contact element 210 and the contact surface 205 which is cold in relation to the contact element 210. This local heating of the solder depot 200 from the side of the contact element 210 can generate a directed diffusion and the copper diffuses into the tin layer . The result of the diffusion is an intermetallic phase 215, which grows from the cold to the warm side and, in this embodiment, represents a homogeneous compound of the two metals copper and tin (Cu ₆ Sn ₅ ).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Kontaktfläche 205 und/oder das Kontaktelement 210 neben Kupfer auch einen Anteil zumindest eines weiteren Elements, beispielsweise von Nickel auf. Dies ermöglicht die Bildung der intermetallische Phase 215 mit einer homogenen Verbindung der drei Metalle Kupfer, Zinn und Nickel.According to one exemplary embodiment, the contact surface 205 and/or the contact element 210 also has a proportion of at least one other element, for example nickel, in addition to copper. This allows the formation of the intermetallic phase 215 with a homogeneous combination of the three metals copper, tin and nickel.

3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung 300. Die Schaltung 300 umfasst lediglich beispielhaft eine mit verschiedenen elektronischen Elementen 305 bestückte Leiterplatte 310 mit einer Kontaktfläche 205. Die Leiterplatte 310 kann auch als PCB bezeichnet werden. Über die Kontaktfläche 205 ist die Leiterplatte mit dem Kontaktelement 210 eines Bauteils 315 signalübertragungsfähig verbindbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 315 als Leistungsbauelement ausgebildet, das beispielsweise geeignet ist, um Ströme von mehr als 1 A zu leiten. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Bauteil auf zum Beispiel einen Sensor umfassen. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Temperatursensor oder ein Beschleunigungssensor sein. Beispielsweise ist die Schaltung 300 nach Fertigstellung Teil eines Steuergeräts eines Fahrzeugs. 3 shows a schematic cross-sectional representation of an exemplary embodiment of a circuit 300. The circuit 300 comprises, merely by way of example, a printed circuit board 310 equipped with various electronic elements 305 and having a contact area 205. The printed circuit board 310 can also be referred to as a PCB. The printed circuit board can be connected via the contact surface 205 to the contact element 210 of a component 315 in a manner capable of transmitting signals. In this exemplary embodiment, the component 315 is in the form of a power component which is suitable, for example, for conducting currents of more than 1 A. In another embodiment, the component may include a sensor, for example. Such a sensor can be a temperature sensor or an acceleration sensor, for example. For example, after completion, the circuit 300 is part of a control unit of a vehicle.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Leiterplatte 310 erst mit dem Bauteil 315 bestückt, nachdem bereits zumindest ein weiteres der elektronischen Elemente 305 über zumindest eine geeignete Lotverbindung mit der Leiterplatte 310 verlötet wurde. Vorteilhafterweise wird eine solche Lotverbindung durch die Bildung der metallischen Phase zum Verbinden des Bauteils 315 mit der Leiterplatte 310 nicht negativ beeinflusst.According to one exemplary embodiment, the printed circuit board 310 is only fitted with the component 315 after at least one further electronic element 305 has already been soldered to the printed circuit board 310 via at least one suitable solder connection. Such a solder connection is advantageously not adversely affected by the formation of the metallic phase for connecting the component 315 to the printed circuit board 310 .

Zur Fertigung elektronischer Systeme, wie der gezeigten Schaltung 300 sind nachträgliche Verbindungen zur bestückten und gelöteten Leiterplatte 310 zu realisieren, um zum Beispiel Sensoren oder Leistungsbauelemente anzusteuern. Die Temperaturbeständigkeit der Leiterplatte 310 und der Lötverbindung bestimmt dabei bei gelöteten Schnittstellen die Gesamtbeständigkeit der Verbindung. Der niedrige Schmelzpunkt und damit verbunden die relativ hohe Kriechneigung von Sn-Basisloten lassen kaum Toleranzausgleich und mechanische Beanspruchung zu, weil dies die Langlebigkeit der Verbindung negativ beeinflussen würde. Nicht gelötete Lösungen, zum Beispiel Einpresstechnik, erfordern zumeist eine spezielle Geometrie der Anschlusspins, welche bei Standardbauelementen häufig nicht realisiert ist.For the manufacture of electronic systems, such as the circuit 300 shown, subsequent connections to the populated and soldered printed circuit board 310 are to be implemented in order, for example, to control sensors or power components. In the case of soldered interfaces, the temperature resistance of the printed circuit board 310 and the soldered connection determines the overall resistance of the connection. The low melting point and the associated relatively high tendency to creep of Sn-based solders hardly allow any tolerance compensation and mechanical stress, because this would have a negative impact on the longevity of the connection. Non-soldered solutions, such as press-in technology, usually require a special geometry for the connection pins, which is often not implemented in standard components.

4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung 300 mit einem Lotdepot 200. Die hier dargestellte Schaltung 300 entspricht oder ähnelt der in der vorangegangenen 3 beschriebenen Schaltung, mit dem Unterschied, dass in der hier gezeigten Darstellung nur ein Ausschnitt der Leiterplatte 310 im Bereich der Kontaktfläche 205 abgebildet ist. Entsprechend umfasst die Schaltung 300 eine Leiterplatte 310 mit einer Kontaktfläche 205, ein Bauteil 315 mit einem Kontaktelement 210 beziehungsweise einem Heizstab, und ein Lotdepot 200 zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen der Kontaktfläche 205 und dem Kontaktelement 210. Dabei ist das Lotdepot 200, bei dem es sich lediglich beispielhaft um ein Sn-Basislot handelt, zwischen der Kontaktfläche 205 und dem Kontaktelement 210 angeordnet und mittels lokalen Erhitzens in eine intermetallische Phase überführbar. Beispielhaft ist das Kontaktelement 210 als ein Anschlussbeinchen des Bauteils ausgeformt und das Lotdepot 200 ist zwischen der Kontaktfläche 205 und einer lötfähigen Anschlussfläche des Kontaktelements 210 angeordnet. 4 shows a schematic cross-sectional illustration of an exemplary embodiment of a circuit 300 with a solder depot 200. The circuit 300 illustrated here corresponds to or is similar to that in the preceding one 3 described circuit, with the difference that in the illustration shown here only a section of the printed circuit board 310 in the area of the contact surface 205 is shown. Accordingly, the circuit 300 comprises a printed circuit board 310 with a contact surface 205, a component 315 with a contact element 210 or a heating rod, and a solder depot 200 for producing a soldered connection between the contact surface 205 and the contact element 210. The solder depot 200, in which it an Sn base solder is merely an example, is arranged between the contact surface 205 and the contact element 210 and can be converted into an intermetallic phase by means of local heating. For example, the contact element 210 is formed as a connecting leg of the component and the solder depot 200 is arranged between the contact surface 205 and a solderable connection surface of the contact element 210 .

Zum Durchführen einer gerichteten Diffusion und damit Überführen des Lotdepots 200 in die intermetallische Phase sind in diesem Ausführungsbeispiel Elektroden einer Widerstandsschweißanlage 400 an den Heizstab angelegt und auf beispielhaft 70-80°C erwärmt. Dadurch ist ein Stromfluss mit entsprechender Wärmeleistung durch das Kontaktelement 210 erzeugbar, was ein Aufheizen des Kontaktelements und damit verbunden des Lotdepots bewirkt. Durch Stromsteuerung, insbesondere durch Mehrstufenimpulse, ist eine gezielte Energieübertragung möglich, was ein Steuern des intermetallischen Phasenwachstums ermöglicht. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Wärmezufuhr in einem Zeitraum von 500 bis 600 ms. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Wärmezufuhr in einem Zeitraum von weniger als 50 ms stattfinden und zusätzlich oder alternativ über Mehrstufenimpulse steuerbar sein.In this exemplary embodiment, electrodes of a resistance welding system 400 are applied to the heating rod and heated to 70-80° C., for example, in order to carry out a directed diffusion and thus convert the solder depot 200 into the intermetallic phase. As a result, a current flow with a corresponding heat output can be generated through the contact element 210, which causes the contact element and, associated therewith, the solder depot to heat up. Targeted energy transfer is possible through current control, in particular through multi-stage pulses, which makes it possible to control the intermetallic phase growth. In this exemplary embodiment, the heat is supplied over a period of 500 to 600 ms. In another exemplary embodiment, the supply of heat can take place in a period of less than 50 ms and can additionally or alternatively be controlled via multi-stage pulses.

In diesem Ausführungsbeispiel ist durch den beschriebenen Aufbau eine lokale Diffusionslötstelle geschaffen, an der eine Verbindung zwischen der Kontaktfläche 205 und dem Kontaktelement 210 unter Verwendung des Lotdepots 200 mittels gerichteter Diffusion durch einen lokal eng begrenzten einseitigen Wärmeeintrag realisierbar ist. Hierzu ist das Sn-Basislotdepot lediglich beispielhaft in eine KupferNickelZinn-intermetallische Phase überführbar. Die intermetallische Verbindung weist dann einen höheren Schmelzpunkt (>400°C) als das Basislotdepot auf. Auch ist die Kriechneigung dieser Mischbindung gegenüber einer reinen Metallbindung deutlich geringer, was die mechanische Stabilität erhöht. Aufgrund des einseitigen Wärmeeintrags von der Anschlusspinoberseite ist eine gerichtete Diffusion und ein Wachsen der intermetallischen Phase von der kalten zur warmen Seite hin möglich. Eine thermische Schädigung der Leiterplatte 310 ist ausgeschlossen, da nur im Millisekundenbereich beheizt wird, was zu keiner thermischen Interaktion mit der PCB führt. Durch die sehr lokale Wärmeeinbringung ist auch die Beeinflussung bereits geschaffener Aufbau- und Verbindungstechnik ausgeschlossen. Somit werden Lotverbindungen zwischen der Leiterplatte 310 und den beispielsweise in 3 gezeigten weiteren elektronischen Elementen nicht geschädigt.In this exemplary embodiment, the structure described creates a local diffusion soldering point at which a connection between the contact surface 205 and the contact element 210 can be realized using the solder depot 200 by means of directed diffusion through a locally narrowly limited one-sided heat input. For this purpose, the Sn base solder depot can only be converted into a copper-nickel-tin intermetallic phase, for example. The intermetallic compound then has a higher melting point (>400°C) than the base solder depot. The tendency of this mixed bond to creep is also significantly lower than that of a pure metal bond, which increases the mechanical stability. Due to the one-sided heat input from the top of the connection pin, a directed diffusion and a growth of the intermetallic phase from the cold to the warm side is possible. Thermal damage to the printed circuit board 310 is ruled out, since heating only takes place in the millisecond range, which does not lead to any thermal interaction with the PCB. Due to the very local introduction of heat, it is also impossible to influence the assembly and connection technology that has already been created. Thus, solder joints between the conductors plate 310 and the example in 3 other electronic elements shown are not damaged.

BezugszeichenlisteReference List

100100: Verfahren zum Herstellen einer elektronischen SchaltungProcess for manufacturing an electronic circuit
105105: Schritt des Bereitstellensstep of providing
110110: Schritt des Anordnensarranging step
115115: Schritt des Bewirkens step of effecting
200200: Lotdepotsolder depot
205205: Kontaktflächecontact surface
210210: Kontaktelementcontact element
215215: Intermetallische Phase intermetallic phase
300300: Schaltungcircuit
305305: Elektronisches Elementelectronic item
310310: Leiterplattecircuit board
315315: Bauteil component
400400: Widerstandsschweißequipmentresistance welding equipment

Claims

Method (100) for producing an electronic circuit (300), the method (100) comprising the following steps (105, 110, 115): Providing (105) a printed circuit board (310) with a contact surface (205), a component (315) with a contact element (210) and a solder depot (200) for producing a soldered connection between the contact surface (205) and the contact element (210); Arranging (110) the solder deposit (200) and the contact element on the contact surface (205), the solder deposit (200) being arranged between the contact surface (205) and the contact element (210); and Effecting (115) an intermetallic phase connection by means of directed diffusion between the solder depot (200) and the contact element (210) in order to connect the contact element (210) to the printed circuit board (310).

Method (100) according to claim 1 , wherein in the step (115) of effecting a directed diffusion by means of local one-sided heating of the solder deposit (200) on the part of the contact element (210) is effected.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (115) of effecting the solder depot (200) is converted into an intermetallic phase (215).

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (115) of effecting a high-current connection between the printed circuit board (310) and the component (315) is produced.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (105) of providing the component (315) is designed as a sensor or power component.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (115) of causing contacts of a resistance heater (400) are applied to the contact element (210) to cause a current flow through the contact element (210).

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (115) of causing a heat supply takes place in a limited period of a few milliseconds.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (115) of causing a heat input is controlled via multi-level pulses.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (110) of arranging the solder depot (200) is printed onto the printed circuit board (310).

Method (100) according to any one of Claims 1 until 8th , wherein in the step (110) of arranging the solder depot (200) is dispensed or jetted onto the printed circuit board (310).

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (105) of providing the solder depot (200) is provided as a solder preform.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein in the step (115) of effecting (115) at least one already existing solder connection between the printed circuit board (310) and a further electronic element (305) is not heated.

Circuit (300) with a circuit board (310) with a contact surface (205), a component (315) with a contact element (210) and a solder depot (200) for producing a soldered connection between the contact surface (205) and the contact element (210) , wherein the solder depot (200) can be converted into an intermetallic phase (215) by means of local one-sided heating.

Circuit (300) according to Claim 13 , wherein the printed circuit board (310) and the component (315) are connected using the solder depot (200). and the solder depot (200) has the intermetallic phase or can be converted or is converted into the intermetallic phase.