DE4330975C2

DE4330975C2 - Verfahren zum Aufbringen eines Leistungsbauelements auf einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE4330975C2
Application number: DE4330975A
Authority: DE
Inventors: Martin Rau; Ulrich Schaefer; Dieter Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2013-09-14
Also published as: DE4330975A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Leistungsbauelements auf einer Leiterplatte.

Es ist bekannt, zwischen dem Leistungsbauelement und der Leiterplatte eine Keramikscheibe anzuordnen, um eine elektrische Isolierung zu erreichen. Die zusätzlich ebenfalls notwendige Warmeleiteigenschaft wird aber durch den geringen Warmewi derstand der Keramikscheiben nicht in ausreichendem Maße er reicht. Ferner können Keramikscheiben die Unebenheiten von Leistungsbauelementen und der Oberfläche der Leiterplatte nicht ausgleichen, so daß zusätzliche Ausgleichs- und/oder Füllstoffe eingesetzt werden müssen. Aus dem Patent Abstracts of Japan E-528, 04. August 1987, Vol. 11/No. 237, JP 62-51244 A ist es ferner bekannt, eine aus Keramik beste hende, lötfähige Zwischenschicht zwischen einem zu kühlenden Bauteil und einer Kupferplatte zur Kühlung und Isolation vorzusehen, wobei die keramische Platte beidseitig mit Kup fer metallisiert ist.

Bei elektrisch vollisolierten Leistungsbauelementen wird vor allem die Metallplatte des Leistungselements mit Kunststoff umspritzt. Kunststoff hat aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine schlechte Haftung auf der Me tallplatte selbst. Ferner sind die Unebenheiten der Kunst stoffschicht und der Leiterplatte wiederum mit Ausgleichsmassen auszufüllen. Aus dem DE 89 08 678 U1 ist es bekannt, ein Leistungsbauelement auf einem Kühlkörper aufzubringen, wobei mit Hilfe des thermischen Spritzens zuerst eine elektrisch nichtleitende Schicht auf der dem Kühlkörper zu befestigenden Oberfläche des Leistungsbauelements aufgebracht wird, und wobei das nach dem thermischen Spritzen isolierte Bauelement auf einen Kühlkörper geklebt wird.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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 des 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 Metallschicht 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 uner wünschter 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

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 Leistungsbauelements (10) und dann mit Hilfe des gleichen Verfahrens eine lötfähige, wärmeleitende Schicht (14) aufgebracht wird, und wobei anschließend diese Schicht (14) mit einer auf der Leiterplatte (11) aufgetragenen Lötmasse verlötet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsbauelement (10) im Reflow-Lötprozess auf der Leiterplatte (11) aufgebracht ist.

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 gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schicht (14) Metall ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Spritzen das Plasmaspritzverfahren verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Spritzen das Flammspritzverfahren verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Spritzen das Lichtbogenspritzverfahren verwendet wird.