DE19546285A1 - Elektronisches Modul - Google Patents

Description

In vielen Anwendungsbereichen besteht das Bedürfnis, mittels einer Verbin­ dungsschicht zwei aus unterschiedlichen Materialien bestehende Fügepart­ ner zu verbinden (zusammenzufügen) - insbesondere zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts und/oder eines mechanisch stabilen Kontakts und/oder eines wärmeleitenden Kontakts zwischen den beiden Fügepart­ nern. Beispielsweise muß bei aus mehreren Einzelteilen bestehenden elek­ tronischen Modulen in vielen Fällen die Verlustleistung von auf einem Sub­ stratkörper (bsp. einer keramischen Leiterplatte) angeordneten Halbleiter­ bauelementen einer Schaltungsanordnung (insbesondere von Leistungs-Halbleiterbauelementen) über eine Verbindungsschicht (Fügeschicht) an ei­ nen Trägerkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit (bsp. einen Aluminium-Kühl­ körper) abgeführt werden. Um sowohl eine mechanisch stabile als auch eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Substratkörper und dem Trä­ gerkörper zu gewährleisten, muß zwischen dem Substratkörper und dem Trägerkörper eine homogene, gut haftende Verbindungsschicht mit hohem Wärmeleitvermögen angeordnet sein; aus diesem Grund wird die Verbin­ dungsschicht meist aus einer lötbaren, auf den Substratkörper und/oder den Trägerkörper aufgebrachten und mittels eines Lötprozesses aufge­ schmolzenen Metallegierung hergestellt, die man anhand eines vorgegebe­ nen Temperaturprofils wieder erstarren läßt.

Oftmals wird das elektronische Modul in Umgebungen mit großen Tempera­ turschwankungen eingesetzt; beispielsweise können die vorzugsweise im Motorraum untergebrachten, zur Steuerung verschiedener Aggregatefunk­ tionen (Motor, Getriebe etc.) vorgesehen elektronischen Steuermodule (Steuergeräte) eines Kraftfahrzeugs Temperaturen von -40°C bis +150°C ausgesetzt sein. Temperaturschwankungen bzw. Temperaturwechsel führen jedoch zu thermischen Belastungen, insbesondere dann, wenn die Zahl der Temperaturwechsel hoch ist, wenn die Verbindungsfläche (Fügefläche) der Verbindungsschicht zwischen den beiden Fügepartnern groß ist und wenn die Materialien der beiden Fügepartner einen stark unterschiedlichen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen (bsp. beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient einer keramischen Leiterplatte 6·10^-6/°C, der ther­ mische Ausdehnungskoeffizient eines aus Aluminium bestehenden Kühlkör­ pers dagegen 24·10^-6/°C): als Folge der thermischen Belastungen werden einerseits thermo-mechanische Spannungen vom Trägerkörper (Kühlkörper) auf den Substratkörper (Leiterplatte) und die Lötstellen der Halbleiterbau­ elemente der Schaltungsanordnung übertragen (mechanisch induzierter Streß), was nach einer bestimmten Belastungszeit bzw. einer bestimmten Anzahl von Temperaturwechseln zur Ermüdung und zum Bruch der Lötstel­ len führt, und andererseits Bimetalleffekte hervorgerufen, die zu einem Durchbiegen des Substratkörpers (der Leiterplatte) führen können, was ins­ besondere bei elektronischen Modulen mit großem Funktionsumfang (hier­ zu sind eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen erforderlich) und daher großflächigem Substratkörper (Leiterplatte) problematisch ist. Folglich wird die Zuverlässigkeit und die Langzeitstabilität der Lötstellen der Halbleiter­ bauelemente der Schaltungsanordnung drastisch reduziert (insbesondere bei hohen thermischen Belastungen) und hierdurch die Lebensdauer der elektronischen Module (in der Regel werden hierfür mehr als 15 Jahre gefor­ dert) vermindert sowie der Anwendungsbereich der elektronischen Module stark eingeschränkt.

Um eine ausreichende Entkoppelung der beiden Fügepartner Substratkör­ per und Trägerkörper sicherzustellen, kann die Dicke der Verbindungs­ schicht vergrößert werden; jedoch wird hierdurch das Wärmeleitvermögen der Verbindungsschicht negativ beeinflußt. Demzufolge sollte die Verbin­ dungsschicht zwischen den beiden Fügepartnern Substratkörper und Trä­ gerkörper eine ganz bestimmte vorgebbare Dicke aufweisen; diese Dicke muß einerseits ausreichend groß zur Minimierung der aufgrund von Tem­ peraturwechseln entstehenden thermischen Belastung und andererseits genügend gering zur Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeleitung sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Modul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem die Dicke der Verbindungsschicht auf einfache Weise definiert vorgegeben werden kann. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzei­ chen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Beim vorgestellten elektronischen Modul wird zur ganzflächigen Verbin­ dung des die Schaltungsanordnung mit den Halbleiterbauelementen auf­ nehmenden Substratkörpers (beispielsweise eine Leiterplatte) und des Trä­ gerkörpers (beispielsweise ein Kühlkörper) eine aus drei Bestandteilen zu­ sammengesetzte Metallmatrix als Lötmatrix herangezogen: eine Grundkom­ ponente, eine in der Grundkomponente statistisch verteilte Zusatzkompo­ nente und Zuschlagsmaterialien. Die Grundkomponente besteht dabei aus einem lötbaren Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem Schmelzpunkt (beispielsweise eine Metallegierung eutektischer Zusammen­ setzung) und die Zusatzkomponente aus einer Vielzahl von Kugeln eines löt­ baren Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit, ähnlicher Materialzusammen­ setzung wie das Material der Grundkomponente und höherem Schmelz­ punkt als das Material der Grundkomponente; die Zuschlagsmaterialien (Flußmittel, Lösungsmittel . . . ) dienen zur Verbesserung der Lötbarkeit der Lötmatrix. Die Lötmatrix wird auf mindestens einen der beiden Fügepartner (Substratkörper oder/und Trägerkörper) gleichmäßig und flächenschlüssig aufgebracht und mittels eines Lötvorgangs (Lötprozesses) aufgeschmolzen; hierdurch werden zum einen die in der Lötmatrix enthaltenen Zuschlagsmaterialien (Flußmittel, Lösungsmittel . . . ) entfernt, zum andern werden die Kugeln der Zusatzkomponente mit dem Material der Grund­ komponente verbunden. Nach dem Abkühlvorgang und dem Erstarren der aufgeschmolzenen Lötmatrix erhält man eine homogene, mechanisch stabile, gut wärmeleitfähige Verbindungsschicht mit einer vom Durch­ messer der Kugeln der Zusatzkomponente abhängigen definierten Dicke.

Der Durchmesser der als "Abstandshalter" wirkenden Kugeln der Zusatzkom­ ponente und damit die Dicke der Verbindungsschicht wird so gewählt, daß sich einerseits aufgrund der Separationswirkung der Verbindungsschicht Substratkörper und Trägerkörper thermisch unabhängig voneinander aus­ dehnen können (dies führt zur "mechanischen Entkopplung" von Substrat­ körper und Trägerkörper, ein Bimetalleffekt wird vermieden), und daß an­ dererseits eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit gegeben ist (dies bedingt eine gute Wärmeableitung der Verlustleistung der Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung vom Substratkörper hin zum Trägerkörper); der Durchmesser der in die Grundkomponente eingebrachten Kugeln der Zu­ satzkomponente wird maximal so groß wie die Dicke der Lötmatrix, jedoch etwas größer als die vorzugebende Dicke der Verbindungsschicht gewählt, da durch den Aufschmelzvorgang beim Lötvorgang ein geringer Volumen­ schwund der Kugeln der Zusatzkomponente (und eine geringe Abweichung von der Kugelgestalt) auftreten kann.

Die Materialeigenschaften der Kugeln der Zusatzkomponente und die räum­ liche Verteilung der Kugeln der Zusatzkomponente in der Grundkomponen­ te werden so gewählt, daß ein homogenes Gefüge der beiden Komponen­ ten innerhalb der Lötmatrix sowie innerhalb der nach dem Lötvorgang ge­ bildeten Verbindungsschicht und eine hohe thermische Stabilität der Ver­ bindungsschicht zwischen Substratkörper und Trägerkörper in einem gro­ ßen Temperaturbereich (und somit eine lange Lebensdauer der Verbin­ dungsschicht) erreicht wird; hierzu besitzen die Kugeln der Zusatzkompo­ nente eine ähnliche Materialzusammensetzung wie das Material der Grund­ komponente - dies bewirkt eine "innige" Verbindung der Bestandteile Grundkomponente und Zusatzkomponente innerhalb der Lötmatrix und in­ nerhalb der nach dem Lötvorgang gebildeten Verbindungsschicht - sowie ei­ nen höheren Schmelzpunkt als das Material der Grundkomponente - hier­ durch bleibt die Kugelgestalt der Zusatzkomponente beim Lötvorgang weit­ gehend erhalten (der Schmelzpunkt des Materials der Grundkomponente und des Materials der Zusatzkomponente kann hierbei durch geeignete Wahl der Materialien bzw. der Materialzusammensetzung von Grundkompo­ nente und Zusatzkomponente an die Gegebenheiten des jeweils vorgesehe­ nen Lötvorgangs angepaßt werden).

Beispielsweise kann die Grundkomponente der Lötmatrix aus einem metalli­ schen Mehrstoffsystem (bsp. Zweistoffsystem, Dreistoffsystem) bestehen, d. h. einer Metallegierung mit mehreren unterschiedlichen metallischen Be­ standteilen; hiervon ausgehend kann durch Variation der Zusammensetzung des Mehrstoffsystems und/oder des prozentualen Anteils mindestens zweier Bestandteile des Mehrstoffsystems die Zusammensetzung des Materials der Zusatzkomponente abgeleitet werden. Weiterhin können die Eigenschaften (bsp. der Schmelzpunkt) des Materials der Grundkomponente und des Materials der Zusatzkomponente durch Variation der Zusammensetzung und/oder des prozentualen Anteils der Bestandteile des Mehrstoffsystems eingestellt werden; falls das Material der Grundkomponente eine eutekti­ sche Zusammensetzung (niedrigst möglicher Schmelzpunkt) aufweist, be­ sitzt das Material der Zusatzkomponente mit hiervon abweichen der prozen­ tualer Zusammensetzung automatisch einen höheren Schmelzpunkt.

Vorteilhafterweise wird beim beschriebenen elektronischen Modul (insbe­ sondere bei Modulen mit großflächigen Schaltungsanordnungen mit einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen)

• - durch geeignete Wahl von Grundkomponente und Zusatzkompo­ nente der Lötmatrix und deren Eigenschaften die Dicke der Verbin­ dungsschicht und die Eigenschaft der Verbindungsschicht beliebig reproduzierbar und an unterschiedliche Erfordernisse angepaßt vor­ gebbar,
• - infolge der unabhängig voneinander erfolgenden thermischen Aus­ dehnung von Substratkörper und Trägerkörper (mechanische Ent­ kopplung zwischen Trägerkörper und Substratkörper) bei thermi­ schen Belastungen bzw. thermo-mechanischen Spannungen der Streß innerhalb der Verbindungsschicht reduziert und hierdurch eine hohe Zuverlässigkeit der Lötstellen der Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung erreicht sowie ein Bimetalleffekt zwischen dem Substratkörper und dem Trägerkörper vermieden
• - durch die gute Wärmeableitung vom Substratkörper hin zum Träger­ körper eine ausreichende Ableitung der Verlustleistung der Halblei­ terbauelemente (insbesondere der Leistungs-Halbleiterbauelemente) der Schaltungsanordnung gewährleistet,
• - aufgrund der langen Lebensdauer die Zuverlässigkeit und daher auch die mögliche Betriebsdauer erhöht sowie ein weiter Einsatzbereich gewährleistet bzw. erst ermöglicht (auch bei hohen Belastungen und unterschiedlichen Temperaturanforderungen).

Weiterhin wird anhand der Zeichnung als Ausführungsbeispiel des elektroni­ schen Moduls ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs beschrieben.

Gemäß der Schnittzeichnung der Figur besteht das beispielsweise im Motor­ raum angeordnete großflächige Steuergerät mit planarer Montage der Halb­ leiterbauelemente und vertikaler Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Halb­ leiterbauelemente aus einer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden und einen guten Korrosionsschutz bieten den metallischen Trägerplatte als Trägerkörper 30 (beispielsweise aus Aluminium), einer beispielsweise aus Alu­ miniumoxid (Al₂O₃) bestehenden keramischen Leiterplatte als Substratkörper 10, und einer auf der Oberseite 11 der Leiterplatte 10 planar angeordneten Schaltungsanordnung 20 mit einer Vielzahl von passiven und aktiven SMD-Halbleiterbauelementen 21, 22.

Zur großflächigen, homogenen, mechanisch stabilen und gut wärmeleitfähi­ gen Verbindung zwischen der Leiterplatte 10 und der Trägerplatte 30 wird

• a) eine Lötmatrix als Ausgangsbasis der Verbindungsschicht 40 herge­ stellt, indem eine lötbare, mit Zuschlagsmaterialien (Lösungsmittel, Flußmittel) versehene, Grundkomponente 41 einer bestimmten Mate­ rialzusammensetzung (bsp. ein Lotpulver einer bestimmten Legie­ rung) herangezogen wird, und in diese "Lotpaste" eine Vielzahl von Kugeln als Zusatzkomponente 42 mit vom Material der Grundkompo­ nente 41 abweichen der Materialzusammensetzung auf geeignete Weise (bsp. mittels Schablonendruck oder mittels Dosierung) einge­ bracht und statistisch verteilt; das Material der Zusatzkomponente 42 (bsp. Weichlotkugeln aus einer bestimmten Metallegierung), weist einen deutlich höheren Schmelzpunkt als das Material der Grund­ komponente 41 (Schmelzpunktunterschied bsp. 50°C) und eine vorgegebene einheitliche Kugelgröße auf (Durchmesser bsp. 125 µm).
• b) die Lötmatrix auf mindestens einen der beiden Fügepartner Leiter­ platte 10, Trägerplatte 30 aufgebracht (bsp. auf die Unterseite 12 der Leiterplatte 10), wobei die Naßdicke der aufgetragenen Lötmatrix so gewählt wird, daß deren Schichtdicke nach dem Aufschmelzvorgang (dieser ist in der Regel mit einem Volumenschwund verbunden) min­ destens dem Durchmesser der Kugeln der Zusatzkomponente 42 ent­ spricht (vorzugsweise um 10% größer). Die Lötmatrix kann auch auf beide Fügepartner aufgetragen werden, wobei auf einen Fügepart­ ner auch eine Lötmatrix ohne Zusatzkomponente 42 (d. h. ohne "Ab­ standshalter") aufgebracht werden kann.
• c) mittels eines Lötvorgangs (hier sind alle bekannten Standard-Lötver­ fahren möglich, beispielsweise mittels Durchlauföfen oder Schutzgas) die Lötmatrix mit einer an deren Zusammensetzung angepaßten Temperatur-Zeit-Kurve umgeschmolzen, wobei die Zuschlagsmateria­ lien (Flußmittel) ausgetrieben werden und eine innige Verbindung der aufgeschmolzenen Grundkomponente 41 und der (bei geeignet gewählter Löttemperatur) nicht-aufgeschmolzenen und damit wei­ terhin annähernd Kugelgestalt aufweisenden (d. h. kugelförmigen) Zusatzkomponente 42 erfolgt. Falls erforderlich, können die Füge­ partner Leiterplatte 10 und Trägerplatte 30 in sogenannten Lötlehren mechanisch zueinander fixiert werden. Weiterhin kann das Auflegen geeigneter, federnd gelagerter Gewichte während des Lötvorgangs auf die Oberfläche eines der Fügepartner zu einer Verbesserung der Lötqualität führen.

Nach dem Erstarren der aufgeschmolzenen Lötmatrix erhält man somit eine gut wärmeleitfähige, unempfindliche, thermisch stabile, sehr haftfähige, al­ terungsbestandige Verbindungsschicht 40, die eine mechanische Entkopp­ lung von Trägerplatte 30 und Leiterplatte 10 und somit die Zuverlässigkeit des Steuergeräts gewährleistet.

Beispielsweise wird als Material der Grundkomponente 41 eine Metallegie­ rung der Zusammensetzung 62% Zinn, 36% Blei und 2% Silber (Dreistoffsy­ stem), mit einem Schmelzpunkt von 179°C, und als Material der Zusatzkom­ ponente 42 reines Zinn ("Zinnkugeln") mit einem Schmelzpunkt von 230°C, gewählt. Der prozentuale Anteil der Zusatzkomponente 42 in der Grund­ komponente 41 ist gering und beträgt typischerweise 1-5%; der Durch­ messer der Kugeln der Zusatzkomponente 42 liegt je nach einzustellender Schichtdicke der Verbindungsschicht 40 typischerweise zwischen 80 µm und 150 µm (bsp. beträgt der Durchmesser der Kugeln 125 µm).

Claims (3)

1. Elektronisches Modul mit

• - einem Substratkörper (10),
• - einer Schaltungsanordnung (20) mit auf einer Oberflächenseite (11) des Substratkörpers (10) angeordneten Halbleiterbauelementen (21, 22),
• - einem Trägerkörper (30) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfä­ higkeit, auf dem Substratkörper (10) und Schaltungsanordnung (20) angeordnet sind,
• - einer Verbindungsschicht (40) zwischen der der Schaltungsanordnung (20) gegenüberliegenden Oberflächenseite (12) des Substratkörpers (10) und dem Trägerkörper (30),

dadurch gekennzeichnet:

• - die Verbindungsschicht (40) wird anhand des Lötvorgangs einer Löt­ matrix hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, die aus einer Grundkom­ ponente (41), einer statistisch in der Grundkomponente (41) verteil­ ten Zusatzkomponente (42) und Zuschlagsmaterialien zusammenge­ setzt und auf den Substratkörper (10) und/oder den Trägerkörper (30) aufgebracht ist,
• - die Zusatzkomponente (42) besteht aus einer Vielzahl von Kugeln, de­ ren Durchmesser höchstens so groß wie die Dicke der Lötmatrix und mindestens so groß wie die Dicke der zu bildenden Verbindungs­ schicht (40) ist,
• - das lötbare Material der Zusatzkomponente (42) weist einen höheren Schmelzpunkt als das lötbare Material der Grundkomponente (41) und eine ähnliche Materialzusammensetzung wie das Material der Grundkomponente (41) auf.

2. Steuermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Grundkomponente (41) und das Material der Zusatzkomponente (42) als lötbares Metall oder lötbare Metallegierung ausgebildet ist.