DE4330975A1 - Verfahren zum Aufbringen eines Leistungsbauelements auf einer Leiterplatte - Google Patents
Verfahren zum Aufbringen eines Leistungsbauelements auf einer LeiterplatteInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Aufbringen eines
Leistungsbauelements auf einer Leiterplatte nach der Gattung des An
spruchs 1. Bisher wird in der Praxis zwischen dem Leistungsbauele
ment und der Leiterplatte eine Keramikscheibe angeordnet, um eine
elektrische Isolierung zu erreichen. Die zusätzlich ebenfalls not
wendige Wärmeleiteigenschaft wird aber durch den geringen Wärme
widerstand der Keramikscheiben nicht in ausreichendem Maße erreicht.
Ferner können Keramikscheiben die Unebenheiten von Leistungsbau
elementen und der Oberfläche der Leiterplatte nicht ausgleichen, so
daß zusätzliche Ausgleichs- und/oder Füllstoffe eingesetzt werden
müssen.
Bei elektrisch voll isolierten Leistungsbauelementen wird vor allem
die Metallplatte des Leistungsbauelements mit Kunststoff umspritzt.
Kunststoff hat aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine
schlechte Haftung auf der Metallplatte selbst. Ferner sind die Un
ebenheiten der Kunststoffschicht und der Leiterplatte wiederum mit
Ausgleichsmassen auszufüllen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber den Vorteil, daß
eine relativ einfache und kostengünstige Montage der elektrisch zu
isolierenden Leistungsbauelemente auf der Leiterplatte möglich ist.
Durch die formschlüssige Verbindung von gut wärmeleitender, durch
Metallisierung lötbarer Keramik ergibt sich ein sehr günstiger
Wärmeübergang zur Leiterplatte und somit zu einer Wärmesenke. Ober
flächenunebenheiten der Metallschicht werden durch die Lötpaste aus
geglichen. So ist eine direkte Montage des Leistungsbauelements auf
der Leiterplatte möglich. Durch das direkte Auflöten des Leistungs
bauelements auf der Leiterplatte entfallen ferner auch alle sonst
notwendigen Befestigungselemente. Bei Leistungsbauelementen ist das
wärmeleitende Metall nicht elektrisch potentialfrei. Die somit bei
mehreren Leistungsbauelementen mit unterschiedlichem Potential not
wendige elektrische Isolierung der Leistungsbauelemente zur Wärme
senke hin, ist in einfacher und nahezu vollautomatischer Weise mög
lich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens
möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt den strukturellen Aufbau der zwischen der Lei
terplatte und dem Leistungsbauelement befindenden Schichten.
In der Figur ist mit 10 ein Leistungsbauelement bezeichnet, das über
mehrere, im folgenden erläuterten Zwischenschichten auf einer Lei
terplatte 11 angeordnet ist. Die Leiterplatte kann z. B. in einem
elektronischen Steuergerät eingebaut werden. Das Leistungsbauelement
10 ist hierbei Teil einer nicht näher dargestellten, sich auf der
Leiterplatte 11 befindenden elektrischen bzw. elektronischen Schal
tung. Leistungsbauelemente erwärmen sich im Betrieb relativ stark,
so daß deren Wärme abgeleitet werden muß. Ferner ist das wärme
leitende Material, insbesondere Metall nicht elektrisch potential
frei. Da sich auf einer Leiterplatte mehrere Leistungsbauelemente
befinden und diese meist unterschiedliches Potential aufweisen, muß
eine elektrische Isolierung der jeweiligen Leistungsbauelemente zur
Leiterplatte, d. h. insbesondere zur Wärmesenke hin vorhanden sein.
Das Leistungsbauelement 10 ist mit seiner größten Auflagefläche 12
auf der Leiterplatte 11 angeordnet, um so eine geringe Bauhöhe und
kompakte Bauweise zu erlangen. Ferner ist dadurch eine sehr gute
Wärmeableitung möglich, ohne zusätzliche Kühlelemente einsetzen zu
müssen. Vom Leistungsbauelement führen ferner Kontakte 17 zur Lei
terplatte 11, die dort in nicht näher dargestellter Weise mit den
Leiterbahnen kontaktiert sind. Auf der Auflagefläche 12 des
Leistungsbauelementes 10 ist mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens
oder eines ähnlichen Verfahrens eine Keramikschicht 13 aufgebracht.
Bei dieser Keramikschicht 13 handelt es sich z. B. um Aluminiumoxid.
Anschließend wird auf die Keramikschicht 13 eine lötfähige Metall
schicht 14 ebenfalls im Plasmaspritzverfahren oder ähnlichen Ver
fahren angeordnet. Für diese Schicht 14 können z. B. alle lötfähigen
metallischen Schichten verwendet werden. Um nun das Leistungsbau
element 10 mit den beiden Schichten 13 und 14 auf der Leiterplatte
11 befestigen zu können, wird auf die Leiterplatte 11 eine Lötpaste
15 aufgebracht. Diese Lötpaste 15 hat sowohl die Aufgabe einen Aus
gleich von Unebenheiten der Leiterplatte 11 als auch der Metall
schicht 14 und auch die Befestigung des Leistungsbauelements 10 auf
der Leiterplatte 11 zu bewirken.
Beim Plasmaspritzen handelt es sich um eine aus anderen technischen
Gebieten bekannte Oberflächentechnik, um bestimmte leistungsfähige
und widerstandsfähige Oberflächenschichten auf einem Bauteil zu er
zeugen.
Im folgenden werden nun kurz die Grundprinzipien des Plasmaspritzens
erläutert. Das Plasmaspritzen zählt zum thermischen Spritzen, bei
dem auf der zu beschichtenden Oberfläche Tröpfchen des Schichtmate
rials aufgebracht werden. Da dieses Schichtmaterial bei Raumtempe
ratur nicht flüssig ist, muß dieses durch eine energiereiche Wärme
quelle zuerst geschmolzen werden und dann auf die kalte Oberfläche
aufgesprüht werden. Beim Aufprall auf die Oberfläche werden die
Tröpfchen abgeplattet und kühlen durch den Wärmeübergang an den
Werkstoff augenblicklich ab. Die Teilchen erstarren und schrumpfen
nun. Die somit aufgebrachten Schichten haften vorwiegend durch
mechanische Verklammerung und lokal durch chemische Bindungskräfte
verschiedener Art.
Beim Plasmaspritzen wird nun als Wärmequelle ein in einer Düse
brennender elektrischer Lichtbogen verwendet, der einen inerten Gas
strom (meistens Argon, Stickstoff oder Helium) auf sehr hohe
Temperaturen erhitzt. Es treten Gastemperaturen von über 20 000°C
auf, die zur Spaltung molekularer Gase und zur teilweisen Ionisation
der Atome führen. Als Folge der hohen Temperatur findet eine starke
Volumenzunahme des Gases statt, das mit hoher Geschwindigkeit aus
der Düse ausströmt. In modernen Plasmaspritzanlagen erreicht die
Strömungsgeschwindigkeit dieses Plasmastrahls mehrfache Schallge
schwindigkeit. In diesen hochenergetischen Plasmastrahl wird der
pulverförmig aufzubringende Schichtwerkstoff mit Hilfe eines Träger
gases injiziert. Die Teilchen werden, wie oben erwähnt, geschmolzen
und auf das vorhandene Grundmaterial aufgeschossen.
Es lassen sich nahezu alle Stoffe, die sich ohne Zersetzung
schmelzen lassen und in geeigneter Körnung (Gestalt und Größe bzw.
Korngrößenverteilung) herstellbar sind, durch Plasmaspritzen zu
hochwertigen Beschichtungen verarbeiten. Bei dünnwandigen Teilen,
z. B. Blechteilen kann die Temperatur dieses zu beschichtenden Teils
auch durch Kühlen auf unter für das Bauteil schädliche Temperatur
gehalten werden.
Die Atmosphäre, in welcher der Spritzvorgang stattfindet, hat einen
entscheidenden Einfluß auf die Eigenschaften der aufgebrachten
Spritzschicht. Beim sogenannten atmosphärischen Plasma-Spritzen
(APS) findet der Spritzvorgang in der normalen Umgebungsatmosphäre
statt. Hingegen beim Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) muß der Spritz
vorgang in eine Kammer mit inerter Atmosphäre verlegt werden.
Als Spritzwerkstoff wird im Anmeldungsgegenstand für die Schicht 13
Keramik und für die Schicht 14 lötfähiges Metall verwendet. Grund
sätzlich muß der Spritzwerkstoff schmelzbar sein, ohne sich in unerwünschter
Weise zu verändern (z. B. keine Zersetzung, Sublimation
oder Oxidation darf eintreten). Ferner muß der Spritzwerkstoff, wie
bereits oben erwähnt, in einer für das Spritzen geeigneten Form her
stellbar sein (Korngröße, Kornverteilung und Kornform). Als Werk
stoff für das Gehäuse des Leistungsbauelements, d. h. somit als
Grundwerkstoff für die Plasmabeschichtung, können alle Metalle und
Legierungen verwendet werden, so z. B. unlegierte bis hoch legierte
Stähle, Leichtmetalle, Buntmetalle, etc.
Um nun das Leistungsbauelement 10 mit den Schichten 13 und 14 auf
der Leiterplatte 11 befestigen zu können, wird eine Lötpaste 15 auf
die Leiterplatte 11 aufgebracht und das Leistungsbauelement 10 auf
die Leiterplatte 11 aufgesetzt. Anschließend wird die Baugruppe in
einen Lötofen gegeben, und durch sogenanntes Reflowlöten wird das
Leistungsbauelement 10 auf der Leiterplatte 11 mit sehr geringem
Wärmewiderstand befestigt.
Das Ausführungsbeispiel wurde hier anhand des Plasmaspritzens er
läutert. Wie bereits erwähnt, zählt das Plasmaspritzen zum "Ther
mischen Spritzen", so daß z. B. auch das Flammspritzen oder das
Lichtbogenspritzen verwendet werden können.
Claims (7)
1. Verfahren zum Aufbringen eines Leistungsbauelements (10) auf
einer Leiterplatte (11), wobei mit Hilfe des thermischen Spritzens
zuerst eine elektrisch nicht leitende Schicht (13) auf der auf der
Leiterplatte (11) zu befestigenden Oberfläche (12) des Leistungsbau
elements (10) und dann mit Hilfe des gleichen Verfahrens eine löt
fähige, wärmeleitende Schicht (14) aufgebracht wird, und wobei an
schließend diese Schicht (14) mit einer auf der Leiterplatte (11)
aufgetragenen Lötmasse verlötet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Leistungsbauelement (10) im Reflow-Lötprozeß auf der Leiterplatte
(11) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrisch nicht leitende Schicht (13) Keramik ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die wärmeleitende Schicht (14) Metall ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß als thermisches Spritzen das Plasmaspritzverfahren
verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß als thermisches Spritzen das Flammspritzverfahren ver
wendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß als thermisches Spritzen das Lichtbogenspritzverfahren
verwendet wird.
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