DE4226168A1

DE4226168A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe

Info

Publication number: DE4226168A1
Application number: DE4226168A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Chem Mieskes; Lothar Schlayer; Herbert Dipl Ing Schaaf; Horst Dipl Ing Zimmermann
Original assignee: Alcatel SEL AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1994-02-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Ausführung. Derartige Baugruppen werden insbesondere in der Nachrichtentechnik verwendet.

Aus der PCT-WO 85/01634 ist eine elektronische Baugruppe bekannt, bei der ein Keramiksubstrat mehrere Montageplätze für je ein Bauelement hat. Auf die Montageplätze wird zuerst eine aus einem Haftkleber bestehende Kleberschicht aufgetragen. Anschließend werden die Montageplätze mit Bauelementen bestückt, durch den Kleber lagefixiert und danach die Anschlüsse der Bauelemente mit entsprechenden Kontaktflächen des Substrates gelötet.

Weiterhin ist bereits ein auf einem Substrat aufgebautes Leistungshalbleitermodul vorgeschlagen worden (DE-OS 33 23 246), an das zur besseren Abführung von Verlustwärme mit Hilfe einer elastischen, haftfähigen Wärmeleitpaste eine Metallplatte angeklebt wird.

Außerdem ist in der DE-OS 30 01 613 ein Verfahren zum Einbau einer Halbleitervorrichtung in ein Gehäuse beschrieben, bei dem für die Befestigung der Halbleitervorrichtung auf einer Unterlage als Klebemittel eine mit Metallpartikeln versetzte organische Silikon-Substanz verwendet wird.

Schließlich ist aus der DE-PS 34 44 699 eine elektronische Baugruppe bekannt, bei der auf einer mit gedruckten Leiterbahnen versehenen keramischen Trägerplatte Schichtschaltungsbauelemente und ein chipförmiges Leistungsbauelement angeordnet sind. Im Bereich des Montageplatzes für das Leitungsbauelement sind die gedruckten Leiterbahnen mit einer elektrisch isolierenden Passivierung überdeckt, die einen luft- und feuchtigkeitsdichten Abschluß bilden. Mit dieser Passivierung ist das Gehäuse bzw. ein als Wärmeleitplatte ausgebildeter Anschluß des Leistungsbauelementes durch eine Schicht verbunden. Diese Schicht besteht aus einem elektrisch isolierenden, thermisch gut leitenden, im ausgehärteten Zustand hochflexiblen Kleber, beispielsweise aus einem lösungsmittelfreien Silikonpolymer mit eingebautem Haftvermittler und gut wärmeleitendem Füllstoff. Die vom Leistungsbauelement im Betrieb erzeugte Verlustwärme wird über die gut wärmeleitende Kleberschicht und die hoch wärmeleitende Passivierung auf die als Kühlkörper wirkende Trägerplatte übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe anzugeben, mit dem die Anschlußfahnen von hochpoligen Bauelementen möglichst fehlerfrei auf eine mit Leiterbahnen versehene Trägerplatte gelötet werden können und die im Betrieb entstehende Verlustwärme der Bauelemente mit einem Kleber wirkungsvoll zur Trägerplatte ableitbar sein soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Fertigungsschritte des Herstellungsverfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Herstellungsverfahren bietet den Vorzug, die Ausschußrate der Baugruppen drastisch zu reduzieren. Wegen des erst nach dem Löten erfolgenden Einspritzens von Wärmeleitkleber ist kein Kleberkissen mehr vorhanden, das sonst während des Lötens bereits aushärten und das Bauelement auf eine Höhe fixieren könnte, die relativ häufig offene Lötstellen zwischen den Anschlußfahnen und den entsprechenden Leiterbahnenden der Trägerplatte entstehen ließ. Außerdem gestattet das Verfahren, einzelne Bauelemente erforderlichenfalls noch nach erfolgter Funktionsprüfung der Baugruppe ohne Beschädigung der Trägerplatte und/oder des Bauelementes auszutauschen oder auf einen anderen Montageplatz umzusetzen.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung wie folgt näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer elektronischen Baugruppe teilweise geschnitten, in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 die Trägerplatte der elektronischen Baugruppe gemäß Fig. 1, in perspektivischer Ansicht.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Baugruppe insgesamt mit 1 bezeichnet. Sie besteht unter anderem aus einer gedruckte Leiterbahnen aufweisenden Trägerplatte 2, die mit mehreren oder wenigstens einem Bauelement 3 bestückt ist. Bei dem Bauelement 3 handelt es sich um einen IC-Baustein mit einer hohen Zahl von Anschlüssen. Dieser hochintegrierte Baustein ist beispielsweise in einem QFP-Gehäuse (Quart Flat Pack) aus Keramik oder Kunststoff untergebracht, das an vier Gehäuseseiten eine entsprechend hohe Anzahl herausgeführte Anschlußfahnen 4 hat. Ein derartiges Bauelement ist z. B. aus der DE-OS 40 21 871 bekannt.

Die Trägerplatte 2 kann je nach Wärmemenge, die abzuführen ist, z. B. eine Mehrlagenleiterplatte mit oder ohne Metallkern, eine einfache, ein- oder doppelseitig kupferkaschierte Epoxidharz-Glasfaserplatte oder auch eine Substratplatte aus Aluminiumoxid sein. Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Montageplatz für ein Bauelement 3 aus einer vorzugsweise kupferkaschierten Metallfläche 5 mit mehreren um diese herum auf der Oberfläche der Trägerplatte 2 ausgebildeten Anschlußfeldern 6, die jeweils aus einer den Anschlußfahnen 4 des Bauelementes 3 einer Gehäuseseite entsprechenden Anzahl Leiterbahnenden bestehen und in der Zeichnung nur schematisch dargestellt sind. Ist die Trägerplatte 2 eine Mehrlagenplatte mit Metallkern, sind im Bereich der Metallfläche 5 in bekannter Weise mehrere, sich von dieser durch eine Isolierlage bis zum Metallkern erstreckende, wärmeleitende Durchkontaktierungen vorgesehen. Bei einer alternativen Ausführung dieser Trägerplatte 2 ist die Metallfläche 5 Bestandteil des Metallkerns. Die Metallfläche 5 wird vorzugsweise bei der Herstellung durch Anbringen einer Ausnehmung freigelegt, kann aber beispielsweise auch nachträglich durch Ausfräsen, d. h. durch Abtragen der äußeren Isolierlage, erzeugt werden. Wärmeleitende Durchkontaktierungen entfallen hier. Ist die Trägerplatte 2 eine Substratplatte, kommt man ohne Metallfläche 5 aus. Das heißt, daß der von den Anschlußfeldern 6 begrenzte Montageplatz frei bleibt.

Zur Herstellung der elektronischen Baugruppe 1 wird zunächst eine Trägerplatte 2 mit Leiterbahnen und der gewünschten Anzahl Montageplätzen angefertigt und beim Herstellungsprozeß jeder Montageplatz mit wenigstens einer zentrisch angeordneten und die Trägerplatte 2 vollständig durchsetzenden Öffnung 7 versehen. Bedarfsweise können noch weitere Öffnungen 7 vorgesehen werden, die gleichmäßig um den Mittelpunkt des Montageplatzes herum innerhalb der der Wärmeableitung dienenden Metallfläche 5 angeordnet sind und deren Wandungen zur Erhöhung der Wärmeableitungseigenschaft durchkontaktiert werden, also einen Metallbelag haben. Die Öffnungen 7 werden beispielsweise durch Bohren oder Stanzen von Löchern hergestellt, die zweckmäßigerweise einen Durchmesser von 1 mm bis 1,5 mm haben. Solche Montageplätze können je nach Art der Trägerplatte 2 sowohl für eine einseitige als auch für eine doppelseitige Bestückung mit Bauelementen 3 ausgebildete sein. Bei der Trägerplatte 2 mit doppelseitig angeordneten Montageplätzen sind diese der einen Trägerseite zu denen der anderen Trägerseite schachbrettartig zueinander versetzt.

Bei der so vorbereiteten Trägerplatte 2 wird nun Lötpaste auf die Anschlußfelder 6 aufgetragen und die Montageplätze anschließend mit Bauelementen 3 bestückt, wobei die Anschlußfahnen 4 auf aus Lötpaste gebildeten Kissen zu liegen kommen und zwischen der Trägerplatte 2 und dem Gehäuse des Bauelementes 3 ein Luftspalt bleibt. Nun werden die Anschlußfahnen 4 mit den Anschlußfeldern 6 durch Summenlöten, vorzugsweise Reflowlöten, miteinander verbunden. Weil die Montageplätze der Trägerplatte 2 in diesem Verfahrensstadium noch keinen Kleberauftrag haben, können die Anschlußfahnen 4 beim Aufschmelzen des Lotes ungehindert auf die Lötflächen der Anschlußfelder 6 absinken und wegen nunmehr minimaler Lötspalten optimale Lötstellen ausbilden. Nach dem Löten werden Sicht- und elektrische Prüfungen durchgeführt und ggf. erforderliche Nacharbeiten vorgenommen. In dieser Phase des Verfahrens können ohne Schwierigkeiten fehlerhafte Lötstellen durch Nachlöten beseitigt oder ein Bauelement 3 bei zwischenzeitlich aufgetretenem Funktionsausfall mit herkömmlichen Methoden noch ausgetauscht werden.

Ist die elektronische Baugruppe 1 nach beendeten Prüfungen ohne Mängel, also für gut befunden, wird von der dem Bauelement 3 abgewandten Seite der Trägerplatte 2 mit einer oder mehreren in die verschiedenen Öffnungen 7 eingesetzten Spritzdüsen 8 Wärmeleitkleber 9 eingespritzt. Ist pro Montageplatz nur eine zentrale Öffnung 7 vorgesehen, wird vorzugsweise ein dielektrischer Kleber verwendet, der sich kreisförmig ausbreitet und den Spalt zwischen Trägerplatte 2 und Bauelement 3 im Bereich der Metallfläche 5 ausfüllt. Gegebenenfalls füllt sich zuvor die durch Freilegen des Metallkerns der Trägerplatte 2 vorhandene Ausnehmung. Macht die Menge der abzuführenden Verlustwärme die Verwendung eines Klebers mit besonders niedrigem thermischen Durchgangswiderstand erforderlich, der wegen Metalleinlagerungen üblicherweise elektrisch leitend ist, werden Trägerplatten 2 verwendet, deren Montageplätze in Abhängigkeit von der gewünschten Verteilungsgeometrie des Klebers jeweils mehrere Öffnungen 7 haben. Durch diese wird dann unter Einhaltung von genau definierten Dosierzeiten und Dosierfolgen der Wärmeleitkleber 9 eingespritzt. Als letzter Fertigungsschritt wird der Wärmeleitkleber 9 physikalisch oder chemisch bei Raumtemperatur oder einer höheren Temperatur ausgehärtet und das Bauelement 3 und die Trägerplatte 2 dabei mechanisch fest miteinander verbunden.

Bei der auf diese Weise fertiggestellten Baugruppe 1 wird die vom Bauelement 3 im Betrieb erzeugte Verlustwärme über die gut leitende Kleberschicht auf die als Kühlkörper wirkende Trägerplatte 2 oder ggf. auf deren als Kühlkörper wirkenden Metallkern übertragen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe, die unter anderem aus einer gedruckte Leiterbahnen aufweisenden Trägerplatte und wenigstens einem Bauelement besteht, dessen Anschlußfahnen mit den Leiterbahnen gelötet sind und dessen Unterseite durch einen Wärmeleitkleber mit der Trägerplatte verbunden ist, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen einer Trägerplatte (2) mit einem von mehreren Anschlußfeldern (6) begrenzten Montageplatz für das Bauelement (3) und wenigstens einer, die Trägerplatte (2) innerhalb des Montageplatzes durchsetzenden Öffnung (7);
b) Auftragen von Lötpaste auf die Anschlußfelder (6) der Trägerplatte (2);
c) Bestücken des Montageplatzes mit einem Bauelement (3) und Löten der Anschlußfahnen (4) des Bauelementes (3) mit den Anschlußfeldern (6) der Trägerplatte (2);
d) Prüfen der Baugruppe (1) und Beseitigen von ggf. festgestellten Mängeln;
e) Einspritzen des Wärmeleitklebers (9) durch die Öffnung (7) der Trägerplatte (2) von der Unterseite her;
f) Aushärten des zwischen Trägerplatte (2) und Bauelement (3) eingespritzten Wärmeleitklebers (9).

2. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anfertigung der Trägerplatte (2) die Wandung der die Trägerplatte (2) durchsetzenden Öffnung (7) durchkontaktiert wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anfertigung der Trägerplatte (2) innerhalb des Montageplatzes eine der Wärmeableitung dienende Metallfläche (5) ausgebildet wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bereitgestellte Trägerplatte (2) eine Mehrlagenplatte mit Metallkern ist, bei deren Herstellung innerhalb des Montageplatzes ein Teil des Metallkernes (Metallfläche 5) durch Anbringen einer Ausnehmung freigelegt wird.