WO2007115520A1 - Verfahren zur herstellung einer elektronischen baugruppe - Google Patents

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WO2007115520A1
WO2007115520A1 PCT/DE2007/000482 DE2007000482W WO2007115520A1 WO 2007115520 A1 WO2007115520 A1 WO 2007115520A1 DE 2007000482 W DE2007000482 W DE 2007000482W WO 2007115520 A1 WO2007115520 A1 WO 2007115520A1
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Hubert Trageser
Bernhard Schuch
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electronic assembly according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an electronic assembly according to claim 4. Furthermore, the invention relates to a carrier body for such an electronic assembly according to claim 8.
  • an electronic assembly is known, which is produced by a method according to the preamble of claim 1.
  • the filler material is recessed in a the electronic component facing portion of the passage opening.
  • the recess associated wall portions of the passage openings and the electronic component facing surface of the carrier body are covered with a further metal layer. The mechanical and thus also the thermal contact between the electronic component and the carrier body after the soldering of this can still be improved.
  • a second metal layer which passes through in the region of the through openings and penetrates in the same way. continuous wetting of this second metal layer by a solder layer allows, so that a flat and undisturbed in the region of fürgangsöffhun- mechanical connection between the electronic component and the carrier body results. Analogously, the same continuous connection can also be created on the other side of the carrier body between the latter and a heat sink. Connection defects due to non-soldered areas, in particular at the location of the passage openings and the adjacent sections, are eliminated.
  • the electronic component has a defined position relative to the carrier body without any undesired lateral offset or height offset or tilting. This is particularly advantageous for electronic components with a narrow pitch (fine-pitch).
  • the process development according to claim 2 allows the use of curable fillers whose volume shrinks during assembly manufacturing.
  • a layer removal step according to claim 3 leads to the possibility of parts with very many connections, z.
  • Another object of the invention is to provide an electronic assembly in which a secure and position-defined bond between the electronic component, the carrier body and preferably also the heat sink is given.
  • the electronic assembly can be made by the method of claims 1 to 3; but this is not mandatory. It is crucial that with the method according to claims 1 to 3 results in an electronic assembly, which coincides in their structural features with that of claim 4.
  • a filling material according to claim 5 can be mixed with mass-produced
  • a filler material according to claim 6 is well adapted to the longitudinal extent of conventional carrier body materials. Even with a variety of temperature cycles with thermal cycling then no cracks occur in the carrier body in the region of the through holes.
  • Metal layer thicknesses according to claim 7 ensure a safe covering of the coated walls on the one hand and on the other hand can also create a secure electrical contact.
  • Another object of the invention is to provide a carrier body for such an electronic assembly.
  • the single figure shows in cross-section an electronic component, which is mounted on a printed circuit board to a heat sink.
  • a designated as a whole by 1 electronic module has an electronic component 2, which is mounted on a support body 3 to a heat sink 4.
  • the heat sink 4 is a copper block.
  • the electronic component 2 is an SMD (surface mounted device) component, that is soldered directly to the carrier body 3.
  • a solder layer 5 between the electronic component 2 and the carrier body 3 is used for this purpose.
  • a copper layer 6, the so-called spreader is arranged for heat dissipation of heat loss of the electronic component 2.
  • the carrier body 3 has a plurality of heat transfer openings 7, which create a heat transfer between the electronic component 2 and the heat sink 4.
  • the heat transfer openings 7 are designed as bores in the carrier body 3.
  • the carrier body 3 together with the walls of the through openings 7 carries a first metal layer 8.
  • This is a copper layer with a thickness of 25 microns.
  • the passage openings 7 are filled with a filling material 9 in fo ⁇ n of an epoxy resin with a ceramic filler.
  • the filling material 9 is cured and has a thermal expansion coefficient in the range between 30 and 50 ppm / ° C.
  • the coefficient of expansion of the filling material 9 is adapted to those of the carrier body 3 and the surrounding soldering layers.
  • a second metal layer 10 is applied to the carrier body 3 with the filled heat transfer openings 7 on both sides.
  • the latter covers the free surface of the first metal layer 8 remaining after the filling of the heat transfer openings 7 and free surfaces 11 of the filling material 9, so that in the area of the input or output Exits the heat transfer openings 7, the second metal layer 10 is present continuously.
  • the second metal layer 10 has a thickness in the range between 15 and 20 microns.
  • a further solder layer 12 is arranged between the carrier body 3 and the heat sink 4, via which the carrier body 3 is connected to the heat sink 4.
  • the electronic module 1 is manufactured as follows: First, z. B. by a drilling process, the heat transfer openings 7 are introduced into the carrier body 3. Subsequently, the first metal layer 8 is applied to the carrier body 3, wherein the walls of the through holes 7 are coated. The application of the first metal layer 8 takes place, as is generally known from the prior art, by first chemical bonding and subsequent galvanic reinforcement of the first metal layer 8.
  • the passage openings 7 are closed with the filling material 9.
  • the filling material 9 present initially in the form of a paste is pressed into the passage openings 7 such that the paste not only completely fills the passage openings 7, but projects beyond the planes predetermined by the first metal layers 8, as indicated by a dashed line 13 in the figure indicated.
  • the filler 9 is cured. This reduces the introduction supernatant to a Aushärt- supernatant 14, which is indicated in the figure by a dashed line.
  • the filling material 9 is therefore still defined over the predetermined by the first metal layer 8 level.
  • This curing supernatant 14 is then abraded until the free surface 11 of the filler material 9 is aligned with the surrounding first metal layer 8. Subsequently, the second metal layer 10 is applied. This is done, as known from the prior art, by first chemical Kupupfer with subsequent galvanic reinforcement. Now, a solder paste is applied to the location of the solder layer 12 and it is the heat sink 4 is soldered to the support body 3. Then, a solder paste is applied to the location of the solder layer 5 and the electronic component 2 with the copper layer 6 is soldered to the carrier body 3.
  • solder paste wets the carrier body 3 without interruption, since the second metal layer 10 ensures this wetting.
  • soldering the heat sink 4 and / or the electronic component 2 can, for. B. by an etching process, targeted portions of the first metal layer 8 and / or the second metal layer 10 are removed, so that individual areas of the remaining first metal layer 8 and / or the second metal layer 10 are insulated from each other. This can facilitate the contacting of the various connections, in particular for electronic components with a small grid, so-called area array areas or so-called ball grid arrays (BGA). Such a portion to be removed is bounded by dashed lines 15 in the figure.

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Abstract

Zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe (1) mit einer auf einem Trägerkörper (3) aufgebrachten Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektronischen Bauteil (2) wird folgendermaßen vorgegangen: Zunächst werden Durchgangsöffnungen in den Trägerkörper (3) eingebracht. Anschließend wird eine erste Metallschicht (8) auf den Trägerkörper (3) aufgebracht, wobei auch die Wände der Durchgangsöffnungen (7) beschichtet werden. Die Durchgangsöffnungen (7) werden dann mit einem Füllmaterial (9) verschlossen, welches derart eingebracht wird, dass eine freie Oberfläche (11) des Füllmaterials (9) mit der benachbarten Oberfläche der ersten Metallschicht (8) fluchtet. Nach diesem Einbringen wird eine zweite Metallschicht (10) auf den Trägerkörper (3) aufgebracht, wobei die freien Oberflächen (11) des Füllmaterials (9) und die freie Oberfläche der ersten Metallschicht (8) beschichtet werden. Der so herstellbare Trägerkörper (3) hat zwei Metallisierungsschichten (8, 10) und Durchgangsöffnungen (7) mit einer Füllung (9). Durch den so gestalteten Trägerkörper ist der mechanische und somit auch der thermische Kontakt zwischen diesem und dem elektronischen Bauteil verbessert.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ELEKTRONISCHEN BAUGRUPPE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Baugruppe nach dem Anspruch 4. Ferner betrifft die Erfindung einen Trägerkörper für eine derartige elektronische Baugruppe nach dem Anspruch 8.
Aus der DE 101 01 359 Al ist eine elektronische Baugruppe bekannt, die mit einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hergestellt wird. Dort ist das Füllmaterial in einem dem elektronischen Bauteil zugewandten Abschnitt der Durchgangsöffnung ausgespart. Der Aussparung zugehörige Wandabschnitte der Durchgangsöffnungen sowie die dem elektronischen Bauteil zugewandte Oberfläche des Trägerkörpers werden mit einer weiteren Metallschicht bedeckt. Der mechanische und somit auch der thermische Kontakt zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Trägerkörper nach dem Anlöten von diesem ist noch verbesserungsfähig.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass der mechanische Lötkontakt zwischen dem Trägerkörper und dem elektronischen Bauteil verbessert ist.
Diese Aufgabe ist erfmdungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegeben Merkmalen.
Erfmdungsgemäß wurde erkannt, dass eine im Bereich der Durchgangsöffnungen durchgehende zweite Metallschicht eine in gleicher Weise durch- gehende Benetzung dieser zweiten Metallschicht durch eine Lötschicht erlaubt, sodass eine flächige und auch im Bereich der Durchgangsöffhun- gen ungestörte mechanische Verbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Trägerkörper resultiert. Analog kann die gleiche durchge- hende Verbindung auch auf der anderen Seite des Trägerkörpers zwischen diesem und einem Kühlkörper geschaffen werden. Verbindungsmängel durch nicht verlötete Bereiche insbesondere am Ort der Durchgangsöffnungen und den angrenzenden Abschnitten, entfallen. Das elektronische Bauteil hat eine definierte Lage zum Trägerkörper, ohne dass ein uner- wünschter lateraler Versatz oder Höhenversatz oder ein Verkippen erfolgt. Dies ist insbesondere bei elektronischen Bauteilen mit engem Anschlussraster (fine-pitch) von Vorteil. Über die zweite Metallschicht ist ein vollflächiger Wärmetransport vom elektronischen Bauteil über den Trägerkörper hin zum Kühlkörper möglich. Es können so viele Durchgangsöffhun- gen vorgesehen werden, wie der Aufbau der elektronischen Baugruppe mechanisch zulässt. Dies verbessert die Möglichkeit der Abfuhr insbesondere thermischer Verlustenergie von der Schaltungsanordnung durch den Trägerkörper hindurch.
Die Verfahrensweiterbildung nach Anspruch 2 erlaubt den Einsatz von aushärtbaren Füllmaterialien, deren Volumen während der Baugruppenherstellung schrumpft.
Ein Schichtentfernungsschritt nach Anspruch 3 führt zur Möglichkeit, Bau- teile mit sehr vielen Anschlüssen, z. B. Bauteile mit einem kleinen Anschlussraster, insbesondere Area-Array-Bauteile oder Ball Grid Arrays (BGA) mit konventioneller Multilayer-Leiterplattentechnik zu verdrahten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Baugruppe anzugeben, bei der ein sicherer und lagedefinierter Verbund zwischen dem elektronischen Bauteil, dem Trägerkörper und vorzugsweise auch dem Kühlkörper gegeben ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine elektronische Baugruppe mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruches 4 angegebenen Merkmalen.
Die elektronische Baugruppe kann mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 hergestellt werden; dies ist aber nicht zwingend. Entscheidend ist, dass mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 eine elektronische Baugruppe resultiert, die in ihren strukturellen Merkmalen mit der nach Anspruch 4 übereinstimmt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe entsprechen denen, die vorstehend schon unter Bezugnahme auf das Herstellungsverfahren angesprochen wurden.
Ein Füllmaterial nach Anspruch 5 lässt sich mit Massenherstelhmgs-
Prozessverfahren in die Durchgangsöffnungen einbringen. Über den keramischen Füllstoff lassen sich Materialparameter des Füllmaterials an vorgegebene Anforderungen anpassen.
Ein Füllmaterial nach Anspruch 6 ist gut an die Längenausdehnung von üblichen Trägerkörpermaterialien angepasst. Auch bei einer Vielzahl von Temperaturzyklen mit Temperaturwechselbelastung treten dann keine Risse im Trägerkörper im Bereich der Durchgangsöffnungen auf. Metallschichtdicken nach Ansprach 7 gewährleisten eine sichere Bedeckung der beschichteten Wände einerseits und können andererseits auch einen sicheren elektrischen Kontakt schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Trägerkörper für eine derartige elektronische Baugruppe bereitzustellen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Trägerkörper mit den im Anspruch 8 angegebenen Merkmalen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Trägerkörpers entsprechen denen, die vorstehend schon im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren sowie der elektronischen Baugruppe erläutert wurden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt im Querschnitt ein elektronisches Bauteil, welches über eine Leiterplatte an einem Kühlkörper montiert ist.
Eine insgesamt mit 1 bezeichnete elektronische Baugruppe hat ein elektronisches Bauteil 2, das über einen Trägerkörper 3 an einen Kühlkörper 4 montiert ist. Beim Kühlkörper 4 handelt es sich um einen Kupferblock. Das elektronische Bauteil 2 ist ein SMD- (surface mounted device) Bauteil, ist also direkt auf den Trägerkörper 3 aufgelötet. Hierzu dient eine Lötschicht 5 zwischen dem elektronischen Bauteil 2 und dem Trägerkörper 3. Zwischen der Lötschicht 5 und dem eigentlichen elektronischen Bauteil 2 ist eine Kupferlage 6, der sogenannte Spreader, zur Wärmeabfuhr von Verlustwärme des elektronischen Bauteils 2 angeordnet. Der Trägerkörper 3 weist eine Mehrzahl von Wärmedurchgangsöffhungen 7 auf, die einen Wärmedurchgang zwischen dem elektronischen Bauteil 2 und dem Kühlkörper 4 schaffen. Die Wärmedurchgangsöffhungen 7 sind als Bohrungen im Trägerkörper 3 ausgeführt.
Der Trägerkörper 3 zusammen mit den Wänden der Durchgangsöffnungen 7 trägt eine erste Metallschicht 8. Es handelt sich hierbei um eine Kupferschicht mit einer Dicke von 25 μm.
Die Durchgangsöffnungen 7 sind gefüllt mit einem Füllmaterial 9 in Foπn eines Epoxidharzes mit einem keramischen Füllstoff. Im in der Figur dargestellten Zustand mit aufgebrachtem elektronischen Bauteil 2 ist das Füllmaterial 9 ausgehärtet und hat einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen 30 und 50 ppm/°C. Der Ausdehnungs- koeffizient des Füllmaterials 9 ist angepasst an den des Trägerkörpers 3 und der umgebenden Lötschichten.
Beiderseits auf den Trägerkörper 3 mit den gefüllten Wärmedurchgangsöffhungen 7 aufgebracht ist eine zweite Metallschicht 10. Letztere be- schichtet die nach dem Füllen der Wärmedurchgangsöffhungen 7 verbleibende freie Oberfläche der ersten Metallschicht 8 sowie freie Oberflächen 11 des Füllmaterials 9, sodass im Bereich der Ein- bzw. Austritte der Wärmedurchgangsöffhungen 7 die zweite Metallschicht 10 durchgehend vorliegt. Die zweite Metallschicht 10 hat eine Dicke im Bereich zwischen 15 und 20 μm.
Auf der dem Kühlkörper 4 zugewandten Seite ist zwischen dem Trägerkörper 3 und dem Kühlkörper 4 eine weitere Lötschicht 12 angeordnet, über die der Trägerkörper 3 mit dem Kühlkörper 4 verbunden ist. Die elektronische Baugruppe 1 wird folgendermaßen hergestellt: Zunächst werden, z. B. durch einen Bohrvorgang, die Wärmedurchgangsöffnungen 7 in den Trägerkörper 3 eingebracht. Anschließend wird die erste Metallschicht 8 auf den Trägerkörper 3 aufgebracht, wobei auch die Wände der Durchgangsöffnungen 7 beschichtet werden. Das Aufbringen der ersten Metallschicht 8 erfolgt, wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, durch zunächst chemische Ankupferung und nachfolgende galvanische Verstärkung der ersten Metallschicht 8.
Sodann werden die Durchgangsöffnungen 7 mit dem Füllmaterial 9 verschlossen. Hierzu wird das zunächst in Form einer Paste vorliegende Füllmaterial 9 in die Durchgangsöffhungen 7 so eingedrückt, dass die Paste die Durchgangsöffnungen 7 nicht nur vollständig ausfüllt, sondern über die von den ersten Metallschichten 8 vorgegebenen Ebenen übersteht, wie in der Figur durch eine gestrichelte Linie 13 angedeutet. Es wird also gezielt ein Füllmaterial- Volumen eingebracht, welches größer ist als das Volumen der Durchgangsöffnungen 7. Nachfolgend wird das Füllmaterial 9 ausgehärtet. Hierdurch reduziert sich der Einbring-Überstand zu einem Aushärt- Überstand 14, der in der Figur durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Nach dem Aushärten steht das Füllmaterial 9 daher immer noch definiert über die von der ersten Metallschicht 8 vorgegebene Ebene über. Dieser Aushärt-Überstand 14 wird anschließend abgeschliffen, bis die freie Oberfläche 11 des Füllmaterials 9 mit der umgebenden ersten Metallschicht 8 fluchtet. Anschließend wird die zweite Metallschicht 10 aufge- bracht. Auch dies erfolgt, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, durch zunächst chemische Ankupferung mit nachfolgender galvanischer Verstärkung. Nun wird eine Lötpaste am Ort der Lötschicht 12 aufgetragen und es wird der Kühlkörper 4 an den Trägerkörper 3 angelötet. Sodann wird am Ort der Lötschicht 5 eine Lötpaste aufgetragen und es wird das elektronische Bauteil 2 mit der Kupferlage 6 an den Trägerkörper 3 angelötet.
Auch im Bereich der Ein- und Austrittsöffhungen der Durchgangsöffhun- gen 7 benetzt die Lötpaste den Trägerkörper 3 ohne Unterbrechung, da die zweite Metallschicht 10 diese Benetzung gewährleistet.
Vor dem Anlöten des Kühlkörpers 4 und/oder des elektronischen Bauteils 2 können, z. B. durch einen Ätzprozess, gezielt Abschnitte der ersten Metallschicht 8 und/oder der zweiten Metallschicht 10 entfernt werden, sodass einzelne Bereiche der verbleibenden ersten Metallschicht 8 und/oder der zweiten Metallschicht 10 gegeneinander isoliert sind. Dies kann insbeson- dere bei elektronischen Bauteilen mit kleinem Anschlussraster, sogenannten Area-Array-B auteilen oder sogenannten Ball Grid Arrays (BGA) die Kontaktierung der verschiedenen Anschlüsse erleichtern. Ein derartiger zu entfernender Abschnitt ist in der Figur mit gestrichelten Linien 15 begrenzt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe (1) mit einer auf einem Trägerkörper (3) aufgebrachten Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektronischen Bauteil (2), mit folgenden Verfahrensschritten:
Einbringen von Durchgangsöffhungen (7) in den Trägerkörper (3),
- Aufbringen einer ersten Metallschicht (8) auf den Trägerkörper (3), wobei auch die Wände der Durchgangsöffhungen (7) beschichtet werden,
Verschließen der Durchgangsöffnungen (7) mit einem Füllmaterial (9),
gekennzeichnet durch folgende weiteren Verfahrensschritte:
Einbringen des Füllmaterials (9) in die Durchgangsöffnungen (7) derart, dass eine freie Oberfläche (11) des Füllmaterials (9) mit der benachbarten Oberfläche der ersten Metallschicht (8) fluchtet,
Aufbringen einer zweiten Metallschicht (10) auf den Trägerkörper (3), wobei die freien Oberflächen (11) des Füllmaterials (9) und die freie Oberfläche der ersten Metallschicht (8) beschichtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschließen der Durchgangsöffhungen (7) gezielt ein Füllmaterial- Volumen eingebracht wird, welches größer ist als das Volumen der Durchgangsöffhungen (7), sodass ein Überstand (13, 14) entsteht, der • nach dem Aushärten abgeschliffen wird, bis die freie Oberfläche (11) des Füllmaterials (9) mit der umgebenden ersten Metallschicht (8) fluchtet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gezielt Abschnitte (15) der ersten Metallschicht (8) und/oder der zweiten Metallschicht (10) entfernt werden, sodass einzelne Bereiche der verbleibenden ersten Metallschicht (8) und/oder zweiten Metallschicht (10) gegeneinander isoliert sind.
4. Elektronische Baugruppe (1) mit einem elektronischen Bauteil (2), welches über einen Trägerkörper (3) an einen Kühlkörper (4) montiert ist, wobei der Trägerkörper (3) zwei Metallisierungsschichten (8, 10) und Durchgangsöffhungen (7) mit einer Füllung (9), herstellbar nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweist.
5. Baugruppe nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Epoxidharz mit keramischem Füllstoff als Füllmaterial.
6. Baugruppe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial einen thermischen Längenausdehnungsquotienten im Bereich zwischen 30 und 50 ppm/°C aufweist.
7. Baugruppe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht eine Dicke von 25 μm und die zweite Metallschicht eine Dicke im Bereich zwischen 15 und 20 μm aufweist.
8. Trägerköφer mit zwei Metallisierungsschichten und gefüllten Durchgängen für eine elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
PCT/DE2007/000482 2006-04-11 2007-03-23 Verfahren zur herstellung einer elektronischen baugruppe WO2007115520A1 (de)

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