WO2008071576A2 - Circuit arrangement and method for producing a circuit arrangement - Google Patents

Circuit arrangement and method for producing a circuit arrangement Download PDF

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WO2008071576A2
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roughening
connection
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Frank Baur
Andreas Bernhardt
Roland Brey
Carsten GÖTTE
Martin GÖTZENBERGER
Andreas Rekofsky
Angelika Schingale
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Continental Automotive Gmbh
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/03—Metal processing
    • H05K2203/0307—Providing micro- or nanometer scale roughness on a metal surface, e.g. by plating of nodules or dendrites
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to interconnecting components of a circuit arrangement.
  • a disadvantage for example, is that additional aids or auxiliary substances are always required, which are used between or on the contact surfaces to be fixed (eg, solder, adhesive, screws, etc.).
  • wire bonding With regard to an electrical connection in the field of circuit arrangements, the so-called “wire bonding” is also known in the prior art.
  • a connection thus created should withstand both internal and external stress and permanently ensure electrical conductivity.
  • problems often occur over the lifetime. Such a problem arises z. B. by different thermal expansion coefficients, which can cause mechanical stresses in the materials in question.
  • bonding wires may tear under internal or external stress or even tear off from the respective contact surfaces, so that the electrical connection is interrupted.
  • the often disadvantageous limitation of wire bonds relates in principle to all methods used according to the prior art, such as. B. "Wedge-Wedge- Bonding", “Ribbon Bonding", “Ball Wedge Bonding” etc.
  • voids are formed in the solder.
  • Such voids can be formed in particular by gas bubbles, which often arise during soldering by outgassing of a flux and displace the solder.
  • relatively large voids can arise, which then, often very detrimental, act as thermal insulators and thereby z. B. may have an overheating of an electrical or electronic component result.
  • One known approach to solving this problem is to replace a large ped with several smaller pads, thus limiting the size of the voids.
  • this approach is limited to relatively large pad geometries. For smaller Padgeometrien this approach is unsuitable.
  • the best possible thermal connection is desirable.
  • For optimal cooling for example of electrical components and substrates very small thermal contact resistance in the entire heat path are necessary. Air gaps or materials with high thermal resistance prevent optimal heat dissipation.
  • the known connection methods are disadvantageous.
  • a disadvantage is z.
  • heat sinks or heat sinks often have to be fastened to the component or substrate to be cooled by additional mounting elements (eg screws, clamps, etc.).
  • additional mounting elements eg screws, clamps, etc.
  • additional mounting elements eg screws, clamps, etc.
  • the z. B. must be closed by a heat-conducting foil or paste.
  • such measures often deteriorate the heat dissipation management by a poorer thermal conductivity of USAGE ⁇ Deten materials and / or by the creation of additional resistances.
  • circuit arrangement and “component” are to be understood very broadly.
  • the circuit arrangement according to the invention has at least two components, each with a contact surface. At least one of the contact surfaces is roughened and the components are galvanically and / or mechanically connected by a press connection of the contact surfaces.
  • the inventive method for producing a circuit arrangement having at least two components comprises the method steps: providing at least two components having at least one contact surface each; Roughen at least one of the two contact surfaces and pressing together the contact surfaces for mechanical and / or electrical see fixation of the two components.
  • the invention can be used to overcome respective disadvantages of the prior art and to achieve particular advantages.
  • An advantage of the invention may, for.
  • it may not be necessary for the creation of the compound to require an adjuvant eg solder, adhesive, screws, rivets, etc.
  • the invention is particularly suitable for automated fixation and may optionally also assume a sealing function.
  • the compound created according to the invention can In many cases also provide superior fatigue, for example, when it comes to the replacement of the usual wire bonding process.
  • soldering processes of the known type can be replaced or improved with the invention.
  • the invention can be advantageously used in connection with the formation and thermal connection of heat sinks (including heat sinks).
  • At least one of the two components is a circuit carrier.
  • a circuit carrier is generally used to components of a circuit arrangement in the strict sense, ie z. B. electrical or electronic components such as active or passive components (eg., Transistors, semiconductor chips, resistors, capacitors, etc.) to connect and "electrically wired".
  • the circuit carrier as such may in this case be of a type known per se (eg printed circuit board, flex PCB, organic or inorganic substrate, etc.).
  • the term "component” is understood in the broadest sense, so that z.
  • a circuit carrier possibly without electronic function, or z. B. also falls a housing part under this term.
  • At least one of the two components is a QFN ("quad flat no-lead") component, an SMD component or an "bare die”.
  • At least one of the two contact surfaces is a component surface intended for soldering per se (in the prior art).
  • connection surfaces are usually located on the underside of the chip substrate.
  • connection surfaces can, for example, wise also be provided at the ends of corresponding pins or connecting wires.
  • At least one of the two contact surfaces is formed on a connecting wire of the relevant component or the component in question as such is a connecting wire.
  • a contact surface at the end of a connecting wire can be roughened and pressed onto a connection pad of a circuit carrier with or without the interposition of an auxiliary substance (eg solder).
  • an auxiliary substance eg solder
  • At least one of the two components is a housing or a housing part of the circuit arrangement.
  • At least one of the two components is a heat sink.
  • the two contact surfaces are interconnected by direct joining.
  • the two contact surfaces are joined together with the interposition of an auxiliary material.
  • a degree of pressure suitable for the respective application when joining the respective components depends on the type and nature (eg material and roughening geometry) of the relevant contact surfaces and can be optimized in individual cases.
  • the joining process can also z. B. carried out or supported by means of ultrasound and / or a temperature.
  • At least one of the two contact surfaces is a metal surface.
  • the two contact surfaces may be surfaces of the same or different nature. So z. For example, two contact surfaces designed as metal surfaces can be joined together. Alternatively, z. B. a metal surface are connected to a plastic surface. In a metal-metal compound, for. B. a roughening of both metal surfaces may be provided, whereby a non-positive connection can be realized. In a metal-plastic compound or more generally a connection between a relatively solid material and a relatively soft material (possibly also both metals), a positive connection can be created even if the softer material was not roughened before joining.
  • the roughening is provided in the microstructure region.
  • typical dimensions of roughening structures may be less than 1 ⁇ m.
  • the above-explained refinements or peculiarities of the circuit arrangement can be provided individually or in different combinations with each other. Corresponding developments and refinements can also be used for the method according to the invention for producing such a circuit arrangement.
  • a temperature of the joint, in particular z. B. the pressing together takes place at an elevated temperature.
  • the two contact surfaces are connected by a direct joining together.
  • the two contact surfaces are joined together with the interposition of an auxiliary substance.
  • the roughening takes place in the microstructure region.
  • the roughening comprises a mechanical processing of the relevant contact surface.
  • the roughening involves the use of an ion beam technique.
  • the invention can be used for many applications.
  • a preferred field of application is, for example, the mechanical and electrical (galvanic) connection between the relevant components, be it without auxiliary substances (eg. Solder, glue, screws, etc.) or with such auxiliaries.
  • auxiliary substances eg. Solder, glue, screws, etc.
  • Another preferred use is the mechanical fixation of a component with simultaneous sealing or sealing function.
  • the invention can also be used to realize a particularly good thermal connection of a respective component to another component.
  • Another interesting use is to improve on known Drahtbondstellen a circuit arrangement or completely replaced.
  • the invention can be used quite generally as a replacement or improvement of solder joints in circuit arrangements.
  • An improvement can z. B. exist in an extension of the life and / or avoidance or reduction of voids at a solder joint.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a roughening process for two to be joined together
  • Fig. 2 is a representation corresponding to FIG. 1
  • Fig. 3 is a view corresponding to FIG. 2 after
  • FIG. 4 shows a plan view of a contact surface arrangement in a QFN component
  • 5 is a view corresponding to FIG. 4 for a SMD Bauelernent
  • connection region 7 shows a perspective view of a connection region according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 8 is a perspective view of a composite of two printed circuit boards
  • FIG. 9 is a perspective view of a composite of two printed circuit boards on another flexible circuit board.
  • FIG. 10 is a perspective view for illustrating the space requirement of soldering pads
  • FIG. 11 is a schematic side view of a sealing area between a housing cover and a housing bottom of conventional design
  • FIG. 12 is a view similar to FIG. 11, but of inventive design
  • FIG. 13 is a view similar to FIG. 11, according to a modified embodiment
  • FIG. 14 is a view similar to FIG. 13, but for a erfindungsffleße design
  • Fig. 15 is an illustration for illustrating a
  • Wire bonding according to two variants 16 shows a representation to illustrate a soldering process, on the one hand of conventional type (FIG. 16, left) and, on the other hand, of the type according to the invention (FIG. 16, right),
  • 17 is an illustration for illustrating the increase of a cooling surface in a heat sink by means of a roughening process
  • FIG. 18 is an illustration for illustrating the attachment of a heat sink to a device of a circuit arrangement
  • FIG. 19 is an illustration of more concrete application examples of the mounting method shown in FIG. 18.
  • FIG. 19 is an illustration of more concrete application examples of the mounting method shown in FIG. 18.
  • FIGS. 1 to 3 illustrate an exemplary embodiment of a method for producing a circuit arrangement in which at least two components are to be galvanically and / or mechanically connected.
  • FIG. 1 shows in the construction of a circuit arrangement (not shown in total) galvanically and mechanically interconnected components 10-1 and 10-2 (eg electronic component and circuit carrier).
  • the components 10-1 and 10-2 each have a contact surface 12-1 and 12-2, which are in the illustrated embodiment, metal surfaces on which the
  • Fig. 1 an ion beam device 14 is further symbolized, by means of which first a roughening of at least one of the contact surfaces 12-1 and 12-2.
  • both contact surfaces are roughened, preferably in each case in the microstructure region.
  • Fig. 2 shows (highly schematic and enlarged) the result of the roughening process of Fig. 1.
  • a plurality of protruding structural bodies is provided.
  • FIG. 3 shows how, after the components 10-1 and 10-2 have been joined to one another at their contact surfaces 12-1 or 12-2, these structural bodies mesh with one another. This creates an advantageously easy-to-implement, mechanically stable and electrically highly conductive connection of the components.
  • this embodiment illustrates a mechanical fixation of a metal surface on another metal surface while maintaining the electrical conductivity.
  • Two metal surfaces of the same or different nature can be fixed to one another in such a way that the connection withstands both internal and external loading, while maintaining the electrical conductivity at this connection point.
  • the connection illustrated in FIG. 3 can in many applications have a longer service life and / or withstand the respective loads for a longer time.
  • the fixation method illustrated in FIG. B. a conventional soldering can be performed.
  • What is essential in this exemplary embodiment is the contact surface of one or both components 10-1 and 10-2 modified by an ion beam (alternatively, for example, by mechanical processing).
  • the surfaces can be modified in the form that, similar to a hook-and-loop fastener, a mechanical bond or also a toothing between the merged contact surfaces 12-1 and 12-2 is achieved.
  • the two contact surfaces 12-1 and 12-2 are joined together directly.
  • This has, for example, the advantage of a small footprint of the joint in the joining direction.
  • This small footprint can in the relevant circuit z. B. be used for a high packing density.
  • an adjuvant could be used, which brings an additional mechanical fixation and / or an improvement of the galvanic connection or its connection effect by the roughening described at least one of the contact surfaces 12-1 and 12-2 in terms the load capacity and the life is improved.
  • the components 12-1 and 12-2 may be "components in the narrower sense", ie in particular electrical or electronic components (eg semiconductor components) that are mechanically and electrically connected to a circuit carrier (eg printed circuit board). be connected to the concerned one
  • a circuit carrier eg printed circuit board
  • a Schal- Carrier itself be regarded as a "component" of the relevant circuit arrangement.
  • a component which can be galvanically and / or mechanically connected in this manner can be formed by a housing arrangement of the circuit arrangement.
  • FIGS. 4 and 5 each show an example of a packaged semiconductor device of a type known per se, which, however, are readily usable within the scope of the invention.
  • FIG. 4 is a bottom plan view of a so-called QFN (quad flat no-lead) device 10A-1.
  • the device 10a-1 has 32 contact surfaces 12a-1 ("connection pads").
  • these contact surfaces 12a-l z. B. with correspondingly arranged contact surfaces of a circuit carrier are electrically and mechanically connected.
  • FIG. 5 shows a plan view of the underside of a so-called SMD (surface-mounted device) component 10B-1, which in the example shown has two contact surfaces 12b-1.
  • SMD surface-mounted device
  • the corresponding contact surfaces of the respective "joining partner" eg printed circuit board
  • the corresponding contact surfaces of the respective "joining partner” can advantageously be dimensioned smaller, in particular z. B. with dimensions identical to the component contact surfaces.
  • Fig. 6 shows an example of a circuit arrangement 16c comprising a printed circuit board 10c-2, which is equipped on its upper side with a plurality of electronic components. At least some of these components are embodied as so-called “bare-dies" (unpackaged chips) 10c-1 and according to the invention, for example as described above with reference to FIGS. 1 to 3, galvanically and mechanically with corresponding conductor track sections Printed circuit board 10c-2 connected.
  • bare-dies unpackaged chips
  • Fig. 7 illustrates an example of an electronic device 10d-1 on a circuit board 10d-2.
  • the printed circuit board 10d-2 is provided with electrical feedthroughs ("vias") 18d of a type known per se, in the regions of which electrical contacting of the component 10D-1 takes place via so-called solder balls 20d.
  • a special feature of this galvanic and mechanical connection is that contact surface areas of the leadthroughs 18d and / or of the component 10d-1 which come into contact with the solder have been previously roughened.
  • FIG. 8 shows an example of a circuit arrangement 16e comprising a first substrate 10e-1 and a second substrate 10e-2, which are galvanically and mechanically provided according to the invention. are connected to each other. This connection consists of contact surfaces on the underside of the first substrate 10e-1 and corresponding contact surfaces on the upper side of the second substrate 10e-2.
  • the substrates lOe-1 and 10e-2 may be organic and / or inorganic substrates.
  • both substrates 1Oe-1 and 10e-2 each serve as circuit carriers for the electrical connection of further components of the circuit arrangement 16e.
  • Fig. 9 shows an example of a circuit arrangement 16f comprising two rigid printed circuit boards 10f-1 which are connected to each other via a flexible printed circuit board (“flex PCB”) 10f-2.
  • flex PCB flexible printed circuit board
  • the rigid printed circuit boards 10f-1 serve as circuit carriers for accommodating conventional electronic components.
  • the peculiarity of the circuit arrangement 16f consists in the manner of the galvanic and mechanical connection of the two end regions of the flexible printed circuit board 10f-2 to corresponding contacting regions on the upper sides of the rigid printed circuit boards 10f-1. Of these two “joining partners" at least one has a roughened contact surface arrangement.
  • FIG. 10 illustrates the conventionally large space requirement of contact surfaces 12g-2 on a flat side of a substrate 10g-2 for contacting corresponding contact surfaces of an electronic component 10g-1 (eg SMD component).
  • an electronic component 10g-1 eg SMD component
  • the substrate-side contact surfaces 12g-2 or the component-side contact surfaces or both of these contact surfaces are roughened, then the substrate-side contact surfaces 12g-2 can be provided smaller than shown in FIG.
  • the connection can be made by simply joining or pressing, whereby by no means should be closed, that as an excipient z. B. a solder or an electrically conductive adhesive is interposed.
  • a solder it is expedient to carry out the pressing process at elevated temperature.
  • the joining process z. B. performed or supported by means of ultrasound.
  • the use of the invention for the galvanic and / or mechanical connection of components in the strict sense and circuit carriers is in the foreground.
  • the invention has a very wide range of applications.
  • the use of the invention for "components" in the form of housings or housing parts of circuit arrangements is illustrated below with reference to FIGS. 11 to 14.
  • FIG. 11 shows a schematic side view of the per se known connection of the edge region of a housing cover 30h of a (not shown) circuit arrangement on a housing bottom 32h by means of a seal 34h. Not shown are for this connection method usual fastening means (eg screws, rivets, etc.), which fix the housing cover 30h in the position shown with respect to the housing bottom 32h and clamp the seal 34h between them.
  • fastening means eg screws, rivets, etc.
  • the housing parts 30h and 32h must be connected to each other using such fastening means (also for example adhesives).
  • the sealing function of the connection desired here requires a special sealing material in the form of the seal 34h (eg insertion seal, sealing bead, sealing gel etc.), which represents an additional expense in the production of the circuit arrangement.
  • the avoidance of these additional parts and the hard-to-automate effort can be realized in a simple manner by a modification, as z. B. in Fig. 12 is shown.
  • FIG. 12 again shows a housing cover 10h-1 whose cover edge is mechanically connected to an edge region of a housing bottom 10h-2, a sealing function being ensured at this connection point.
  • the housing bottom 10h-2 is made of metal and the housing cover 10h-1 made of plastic.
  • a contact surface of the metallic housing bottom 10h-2 was roughened (eg by means of an ion beam) and then the cover 10H-1 was pressed onto the bottom 10h-2.
  • the roughened metal part 10h-2 has upwardly projecting structural elements in the connection area, which press into the plastic material of the cover 10H-1 during the pressing process, so that a form-fitting connection is created.
  • connection thus realized advantageously already has a sealing function, so that the provision and installation of a separate seal or the like is unnecessary.
  • the roughening could also be provided for both joining partners (lid 10h-1 and bottom 10h-2).
  • the materials could be chosen other than those described above.
  • a connection is produced during assembly, which can be positive and / or non-positive.
  • the cover 10H-1 as well as the bottom 10h-2 are formed of metal and roughened on the corresponding contact surfaces and connected to one another, the result is primarily a frictional connection, which also has a positive fit can be, if a joining partner has a certain elasticity or deformability.
  • a relatively high pressure and optionally also an elevated temperature can have a positive effect on the strength or the tightness of the connection created.
  • the geometric structural change of at least one of the surfaces involved a use of hitherto conventional excipients (screws, gaskets, etc.) omitted.
  • the assembly process is greatly simplified and the material costs are reduced.
  • FIG. 13 shows a modified example of a connection between a housing cover 30i and a housing bottom 32i, sealing in the illustrated edge region of the housing arrangement 30i, 32i in a manner known per se using two seals 34i and 36i. These seals each seal against a spacer 38i.
  • Fig. 14 shows a similar housing structure with a housing cover 10j -1 and a housing bottom 10j -2, which are again connected to each other via a spacer 10j -3 sealingly.
  • the transitions from the spacer 10J-3 on the one hand to the cover 10J-1 and, on the other hand, to the bottom 10j-2 are each implemented according to the invention.
  • FIGS. 12 and 14 thus illustrate a mechanical fixation of two or more components of a circuit arrangement with optional sealing effect.
  • Fig. 15 illustrates the use of the invention for improved wire bonding.
  • 15 shows a first exemplary embodiment in which an electronic component 10K-1 (eg chip) is connected via a bonding wire 10k-2 to the upper side of a "target pad" of a substrate or a printed circuit board 10k-3. is clocked.
  • the printed circuit board 10k-3 also carries the electronic component 10k-1 (by means of a conductive adhesive layer).
  • the contact surface lOk-1 was roughened.
  • the bonding wire 10k-2 (not roughened in this example) was pressed onto the roughened contact surface 12k-1.
  • a second connection made in a corresponding manner is provided between the left-hand end of the bonding wire 10k-2 in the figure and the printed circuit board 10k-3 or its contact surface 12k-3. Also at this point was before the pressing of the bonding wire 10k-2, the circuit board-side contact surface
  • a modified embodiment of an improved bonding wire connection (eg for "ribbon bonding") is shown below in FIG.
  • a bonding wire 101-2 is electrically and mechanically connected at both wire ends to contact surfaces 121-3 and 121-1 of respective circuit carriers (eg DCB) 101-3 and 101-1, respectively.
  • the two circuit carriers are at their
  • the two variants of the method can, of course, be used in one and the same circuit arrangement individually or in combination.
  • the surface roughened by the roughened target pad makes it easier for the contact partners to connect to one another.
  • the necessary energy input is reduced and the load on the joining partners during joining decreases.
  • Bonding wire can be achieved, which continues to lead to a longer life.
  • both joining partners are roughened before joining, the surface increases further and the contact partners can additionally interlock, which further facilitates a connection.
  • the necessary energy input is reduced and the load on the joining partners during joining decreases. It can also be achieved a better integration of the bonding wire, which increases the life of the connection created.
  • roughened surfaces of one or both joining partners achieve a bond with less energy input. By better interlocking of the partners, the life of the connection can be increased.
  • Fig. 16 illustrates another aspect of the present invention, namely the possibility of avoiding disadvantageous voids in solder joints.
  • This is illustrated in the left part of FIG. 16. From top to bottom in this illustration, a conventional soldering process is shown, in which a component 50m is soldered to a contact surface 52m on a circuit carrier 54m.
  • the circuit carrier 54m is first provided with a solder layer 56m and then the component 50m is pressed onto the solder layer 56m under the influence of temperature.
  • Fig. 16 shows an improved soldering process in which a device 10n-1 is soldered to another device (eg, printed circuit board) 10n-2.
  • solder layer 56n is applied to the contact surface 12n-2.
  • the components lOn-1 and 10n-2 are joined together and preferably used under the influence of temperature. solders. The formation of one or more large voids in the solder layer 56n is advantageously avoided.
  • Figure 17 illustrates another aspect of the present invention for which the applicant also reserves independent protection.
  • This aspect relates to increasing the heating efficiency of a heat sink (including heat sink) of a circuit arrangement, regardless of whether the relevant heat sink in the manner described above (roughening at least one contact surface) is connected to another component of the circuit arrangement or not.
  • the heat emission in a conventional heat sink 6Oo is illustrated on the left in FIG. 17 (the arrows in the figure symbolize the release of heat to the environment).
  • the use of the heat sink 6Oo serves z.
  • the resulting in a powered device heat loss dissipate.
  • the amount of heat that can be released to the environment depends greatly on the size of the surface provided by the heat sink 6Oo.
  • a heat sink of the type symbolized in FIG. 17 has usually been attached to the surface to be cooled. This happened among other things by means of glue or screws.
  • the heat transfer from the surface is hindered in the heat sink, for example by air gaps between the two parts or by an intermediate layer such.
  • B. adhesive layer since the surface to be cooled and the heat sink are not in one piece, the heat transfer from the surface is hindered in the heat sink, for example by air gaps between the two parts or by an intermediate layer such.
  • Fig. 17 right is illustrated how can be increased by the roughening of a surface of a heat sink 1Oo its provided for the release of heat surface.
  • the roughening of the surface can z. B. by means of ion beam technology. Alternatively or additionally, mechanical processing steps are considered in order to produce the desired roughness.
  • the roughening is provided in the microstructure region, ie with comparatively small resulting structural elements on the relevant surface.
  • heat sink 10Oo With the heat sink 10Oo, with the same dimensions, compared to a conventional heat sink (60o), one has a much larger surface area to release heat from the material of the heat sink (eg metal) to the environment.
  • the material of the heat sink eg metal
  • the heat sink to form a section of a housing of an electronic component in the strict sense, or for the heat sink to form a section of a circuit carrier (eg printed circuit board or the like).
  • a "conventional separate heat sink” is formed larger surface available for heat dissipation.
  • the advantage of this development over conventional heat sinks is that in this technique "cooling fins" and the underlying material consist of one piece. As a result z. B. no air gaps present that hinder the thermal transport. Also, no fasteners or materials (eg, screws, glue, etc.) are needed to secure the heat sink, since everything is one piece. Furthermore, the "handling" is eliminated, since the "cooling fins" are formed directly on the material of the respective surface by the roughening.
  • One possible application example is roughening the surface of a microcontroller.
  • the temperature of the microcontroller can be considerably lowered during operation.
  • Another application is to treat the inside and / or outside surfaces of a radiator in the car. This would make it possible to deliver the temperature to the cooler faster in the water cycle.
  • the radiator however, can deliver the temperature to the environment faster through the wind and rough surface.
  • FIG. 18 illustrates an assembly of a heat sink IOp-1 and another device 10P-2, in which it is z. B. can be a circuit carrier (eg., Printed circuit board, circuit substrate, etc.).
  • the device could also 10p-2 of a substrate or a housing of a device in the strict sense, ie z. B. an electronic module (transistor, chip, etc.) may be formed.
  • FIG. 18 below shows the composite formed after assembly of the components 10P-1 and 10P-2. In this connection method, all special features and developments can be provided, which have already been explained in the embodiments described above.
  • FIG. 19 illustrates two more specific application examples of the embodiment explained above.
  • Fig. 19 the thermal and mechanical connection of a heat sink 10q-1 at the bottom of a conventional circuit board 10q-2 is shown.
  • FIG. 19 an embodiment is shown in which a heat sink lOr-1 is placed on the top of a housing of a conventional electronic component 10r-2 and pressed.
  • joining two contact surfaces, of which at least one is roughened directly or indirectly (eg with the interposition of solder, adhesive (in particular electrically and / or thermally conductive), etc .).

Landscapes

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Abstract

A problem addressed by the present invention is that of connecting at least two components (10) together mechanically and/or electrically. According to the invention, this problem is solved in a circuit arrangement with at least two components (10), each having a contact surface (12), by the fact that at least one of the contact surfaces (12) is roughened and the components (10) are connected galvanically and/or mechanically using a press connection of the contact surfaces (12). An advantage of the invention consists of the fact that for creating the connection it is not mandatory for an auxiliary agent (e. g., solder, adhesive, screws, rivets, etc.) to be required. The invention is particularly suited to an automated fixing function and, if applicable, also to a sealing function. Advantageously, soldering processes of known type, e.g., can be replaced or improved. In addition, the invention can be used to advantage in the construction and thermal attachment of heat sinks.

Description

Beschreibungdescription
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Herstellen einer SchaltungsanordnungCircuit arrangement and method for producing a circuit arrangement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein miteinander Verbinden von Bauelementen einer Schaltungsanordnung.The present invention relates to interconnecting components of a circuit arrangement.
Bei bekannten Schaltungsanordnungen werden unter anderem die folgenden Methoden zum Verbinden von Bauelementen eingesetzt: Lottechnik, Klebetechnik, Schrauben, Crimpen etc. Damit kann z. B. eine mechanische Fixierung unter Beibehaltung der e- lektrischen Leitfähigkeit realisiert werden.In known circuit arrangements, inter alia, the following methods are used for connecting components: soldering, adhesive bonding, screwing, crimping, etc. Thus, z. B. a mechanical fixation while maintaining the e- lektrischen conductivity can be realized.
Bei diesen Techniken ergeben sich eine Reihe von Nachteilen. Ein Nachteil steht beispielsweise darin, dass immer zusätzliche Hilfsmittel bzw. Hilfsstoffe erforderlich sind, die zwischen oder an den zu fixierenden Kontaktflächen eingesetzt werden (z. B. Lot, Kleber, Schrauben etc.).These techniques have a number of disadvantages. A disadvantage, for example, is that additional aids or auxiliary substances are always required, which are used between or on the contact surfaces to be fixed (eg, solder, adhesive, screws, etc.).
Mit Einbringung dieser Hilfsstoffe ergibt sich oftmals z. B. der Nachteil, dass Veränderungen der Hilfsstoffe unter innerer sowie äußerer Belastung (z. B. elektro-thermo-mechanisch, Zeit) sich auf die Qualität der mechanischen Verbindung bzw. Fixierung auswirken. So "altern" z. B. Lote unter einer inneren sowie äußeren Belastung und verlieren mit der Zeit ihre ursprüngliche Funktion der mechanischen Fixierung unter Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit. Dieser Verlust wirkt sich negativ auf die Lebensdauer des verbundenen Sys- tems aus.With introduction of these auxiliaries is often z. B. the disadvantage that changes in the excipients under internal and external stress (eg., Electro-thermo-mechanical, time) affect the quality of the mechanical connection or fixation. So "aging" z. As solders under an internal and external load and lose their original function of the mechanical fixation with time ensuring electrical conductivity. This loss has a negative effect on the lifetime of the connected sys- tem.
Außerdem ergibt sich mit Einbringung von Hilfsstoffen oftmals z. B. der Nachteil eines erhöhten Platzbedarfes. So gibt es z. B. bei der mechanischen Fixierung mit Lot Vorgaben bezüg- lieh der Geometrie ("Lotpad") . In der Praxis mehr oder weniger strenge Vorgaben verhindern eine Erhöhung bzw. Optimierung der Packungsdichte. Wenn bei der mechanischen Fixierung zweier Bauelemente zusätzliche Hilfsmittel (z. B. Schrauben, Nieten, Kleber, etc.) verwendet werden, um die zwei oder mehrere Partner miteinan- der zu verbinden, so ergibt sich in manchen Anwendungsfällen eine weitere Problematik. Wenn nämlich die Verbindung zusätzlich eine Dichtfunktion beinhaltet, so müssen geeignete Dichtmittel (Einlegedichtung, eingespritzte Dichtung etc.) miteingebaut werden. Dies macht den entsprechenden Fügepro- zess meist besonders zeitintensiv, schlecht automatisierbar und somit kostenintensiv. Auf der anderen Seite bedeutet eine große Anzahl an Einzelteilen auch einen logistischen Mehraufwand und Lagerhaltungskosten.In addition, results with the introduction of excipients often z. B. the disadvantage of increased space requirements. So there are z. For example, in the mechanical fixation with solder specifications regarding the geometry ("solder pad"). In practice, more or less strict specifications prevent an increase or optimization of the packing density. If additional aids (for example screws, rivets, adhesives, etc.) are used in the mechanical fixing of two components in order to connect the two or more partners to one another, this results in a further problem in some applications. Namely, if the compound additionally includes a sealing function, so appropriate sealing means (inlet seal, injected seal, etc.) must be miteingebaut. This usually makes the corresponding joining process particularly time-consuming, difficult to automate and thus cost-intensive. On the other hand, a large number of parts also means extra logistical costs and storage costs.
Im Hinblick auf ein elektrisches Verbinden im Bereich von Schaltungsanordnungen ist im Stand der Technik auch das so genannte "Drahtbonden" bekannt. Eine damit geschaffene Verbindung soll einer inneren wie äußeren Belastung standhalten und eine elektrische Leitfähigkeit dauerhaft gewährleisten. In der Praxis treten jedoch über die Lebenszeit oftmals Probleme auf. Ein solches Problem ergibt sich z. B. durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche mechanische Spannungen in den betreffenden Materialien hervorrufen können. Im Extremfall können Bonddrähte bei innerer oder äußerer Belastung einreißen oder sogar von den betreffenden Kontaktflächen abreißen, so dass die elektrische Verbindung unterbrochen ist. Die oftmals nachteilige Limitierung von Drahtbondverbindungen betrifft prinzipiell alle nach dem Stand der Technik eingesetzten Methoden, wie z. B. "Wedge-Wedge- Bonden", "Ribbon-Bonden", "Ball-Wedge-Bonden" etc.With regard to an electrical connection in the field of circuit arrangements, the so-called "wire bonding" is also known in the prior art. A connection thus created should withstand both internal and external stress and permanently ensure electrical conductivity. In practice, however, problems often occur over the lifetime. Such a problem arises z. B. by different thermal expansion coefficients, which can cause mechanical stresses in the materials in question. In extreme cases, bonding wires may tear under internal or external stress or even tear off from the respective contact surfaces, so that the electrical connection is interrupted. The often disadvantageous limitation of wire bonds relates in principle to all methods used according to the prior art, such as. B. "Wedge-Wedge- Bonding", "Ribbon Bonding", "Ball Wedge Bonding" etc.
Soweit zum miteinander Verbinden von Bauelementen ein Lötpro- zess eingesetzt wird, so ergibt sich oftmals eine weitere Problematik, die darin besteht, dass Lunker im Lot gebildet werden. Solche Lunker können insbesondere durch Gasblasen gebildet werden, die beim Löten oftmals durch ein Ausgasen eines Flussmittels entstehen und das Lot verdrängen. Dadurch können insbesondere relativ große Lunker entstehen, die dann, oft- mals sehr nachteilig, als thermische Isolatoren wirken und dadurch z. B. eine Überhitzung eines elektrischen oder elektronischen Bausteines zur Folge haben können. Ein bekannter Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, ein großes Päd durch mehrere kleinere Pads zu ersetzen, um somit die Größe der Lunker zu begrenzen. Dieser Lösungsansatz beschränkt sich in der Praxis jedoch auf relativ große Padgeo- metrien. Für kleinere Padgeometrien ist dieser Ansatz ungeeignet .Insofar as a soldering process is used for interconnecting components, there is often a further problem, which is that voids are formed in the solder. Such voids can be formed in particular by gas bubbles, which often arise during soldering by outgassing of a flux and displace the solder. As a result, in particular relatively large voids can arise, which then, often very detrimental, act as thermal insulators and thereby z. B. may have an overheating of an electrical or electronic component result. One known approach to solving this problem is to replace a large ped with several smaller pads, thus limiting the size of the voids. However, in practice this approach is limited to relatively large pad geometries. For smaller Padgeometrien this approach is unsuitable.
Bei einer mechanischen Fixierung von Kühlkörpern bzw. Wärmesenken ist eine möglichst optimale thermische Anbindung wünschenswert. Zur optimalen Kühlung beispielsweise von elektrischen Bauelementen und Substraten sind sehr kleine thermische Übergangswiderstände im gesamten Wärmepfad notwendig. Luft- spalte oder Materialien mit einem großen Wärmewiderstand verhindern eine optimale Wärmeabführung. Auch unter diesem Aspekt sind die bekannten Verbindungsmethoden nachteilig. Ein Nachteil besteht z. B. darin, dass Wärmesenken bzw. Kühlkörper oftmals durch zusätzliche Montageelemente (z. B. Schrau- ben, Klammern, etc.) am zu kühlenden Bauelement bzw. Substrat befestigt werden müssen. Insbesondere bei solchen Befestigungsmethoden entsteht oftmals ein Luftspalt, der z. B. durch eine Wärmeleitfolie oder Paste geschlossen werden muss. Derartige Maßnahmen verschlechtern jedoch oftmals die Wärmeab- führung durch eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit der verwen¬ deten Materialien und/oder durch die Schaffung zusätzlicher Übergangswiderstände .In the case of a mechanical fixation of heat sinks or heat sinks, the best possible thermal connection is desirable. For optimal cooling, for example of electrical components and substrates very small thermal contact resistance in the entire heat path are necessary. Air gaps or materials with high thermal resistance prevent optimal heat dissipation. Also in this aspect, the known connection methods are disadvantageous. A disadvantage is z. For example, heat sinks or heat sinks often have to be fastened to the component or substrate to be cooled by additional mounting elements (eg screws, clamps, etc.). In particular, in such attachment methods often creates an air gap, the z. B. must be closed by a heat-conducting foil or paste. However, such measures often deteriorate the heat dissipation management by a poorer thermal conductivity of USAGE ¬ Deten materials and / or by the creation of additional resistances.
Die vorstehenden Erläuterungen veranschaulichen einerseits, dass die bislang bekannten Verbindungstechniken im Bereich von Schaltungsanordnungen in vielerlei Hinsicht verbesserungsbedürftig sind, und andererseits, dass die Begriffe "Schaltungsanordnung" und "Bauelement" hierbei sehr breit zu verstehen sind.The above explanations illustrate on the one hand that the hitherto known connection techniques in the field of circuit arrangements have to be improved in many respects, and on the other hand that the terms "Circuit arrangement" and "component" are to be understood very broadly.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest zwei Bauelemente mechanisch und/oder elektrisch miteinander zu verbinden.It is an object of the present invention to connect at least two components mechanically and / or electrically to one another.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved by a circuit arrangement having the features of claim 1 or by a method having the features of claim 12. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist zumindest zwei Bauelemente mit jeweils einer Kontaktfläche auf. Zumindest eine der Kontaktflächen ist aufgeraut und die Bauelemente sind durch eine Pressverbindung der Kontaktflächen galvanisch und/oder mechanisch verbunden.The circuit arrangement according to the invention has at least two components, each with a contact surface. At least one of the contact surfaces is roughened and the components are galvanically and / or mechanically connected by a press connection of the contact surfaces.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schal- tungsanordnung mit zumindest zwei Bauelementen umfasst die Verfahrensschritte: Bereitstellen mindestens zweier Bauelemente mit mindestens jeweils einer Kontaktfläche; Aufrauen mindestens einer der beiden Kontaktflächen und Aufeinanderpressen der Kontaktflächen zur mechanischen und/oder elektri- sehen Fixierung der beiden Bauelemente.The inventive method for producing a circuit arrangement having at least two components comprises the method steps: providing at least two components having at least one contact surface each; Roughen at least one of the two contact surfaces and pressing together the contact surfaces for mechanical and / or electrical see fixation of the two components.
Abhängig von dem konkreten Anwendungsfall bzw. der Art und Beschaffenheit der zu verbindenden Bauelemente können mit der Erfindung jeweilige Nachteile aus dem Stand der Technik be- seitigt werden und besondere Vorteile erzielt werden.Depending on the specific application or the type and nature of the components to be connected, the invention can be used to overcome respective disadvantages of the prior art and to achieve particular advantages.
Ein Vorteil der Erfindung kann z. B. darin bestehen, dass für die Schaffung der Verbindung nicht zwingend ein Hilfsstoff (z. B. Lot, Kleber, Schrauben, Nieten etc.) erforderlich ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für eine automatisierte Fixierung und kann gegebenenfalls auch eine Dichtfunktion übernehmen. Die erfindungsgemäß geschaffene Verbindung kann in vielen Fällen auch eine überragende Dauerfestigkeit bieten, etwa wenn es um den Ersatz des bislang üblichen Drahtbondprozesses geht. Ganz allgemein können mit der Erfindung Lötprozesse von bekannter Art ersetzt oder verbessert werden. Ferner kann die Erfindung vorteilhaft im Zusammenhang mit der Ausbildung und thermischen Anbindung von Kühlkörpern (einschließlich Wärmesenken) eingesetzt werden.An advantage of the invention may, for. For example, it may not be necessary for the creation of the compound to require an adjuvant (eg solder, adhesive, screws, rivets, etc.). The invention is particularly suitable for automated fixation and may optionally also assume a sealing function. The compound created according to the invention can In many cases also provide superior fatigue, for example, when it comes to the replacement of the usual wire bonding process. In general, soldering processes of the known type can be replaced or improved with the invention. Furthermore, the invention can be advantageously used in connection with the formation and thermal connection of heat sinks (including heat sinks).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden Bauelemente ein Schaltungsträger ist.In one embodiment, it is provided that at least one of the two components is a circuit carrier.
Ein Schaltungsträger dient ganz allgemein dazu, Bauelemente einer Schaltungsanordnung im engeren Sinne, also z. B. elektrische oder elektronische Komponenten wie aktive oder passive Bauelemente (z. B. Transistoren, Halbleiterchips, Widerstände, Kondensatoren etc.) miteinander zu verbinden und "elektrisch zu verdrahten". Der Schaltungsträger als solcher kann hierbei von an sich bekannter Art sein (z. B. Leiterplatte, Flex-PCB, organisches oder anorganisches Substrat etc.). Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Bauelement" jedoch im weitesten Sinne verstanden, so dass z. B. auch ein Schaltungsträger, gegebenenfalls ohne elektronische Funktion, oder z. B. auch ein Gehäuseteil unter diesen Begriff fällt.A circuit carrier is generally used to components of a circuit arrangement in the strict sense, ie z. B. electrical or electronic components such as active or passive components (eg., Transistors, semiconductor chips, resistors, capacitors, etc.) to connect and "electrically wired". The circuit carrier as such may in this case be of a type known per se (eg printed circuit board, flex PCB, organic or inorganic substrate, etc.). For the purposes of the present invention, however, the term "component" is understood in the broadest sense, so that z. As well as a circuit carrier, possibly without electronic function, or z. B. also falls a housing part under this term.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden Bauelemente ein QFN("quad flat no-lead")- Bauelement, ein SMD-Bauelement oder ein ungehäuster Chip ("bare die") ist.In one embodiment, it is provided that at least one of the two components is a QFN ("quad flat no-lead") component, an SMD component or an "bare die".
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine der beiden Kontaktflächen eine an sich (im Stand der Technik) für eine Verlötung vorgesehene Bauelementfläche ist.In one embodiment, it is provided that at least one of the two contact surfaces is a component surface intended for soldering per se (in the prior art).
Bei einem ungehäusten Chip befinden sich üblicher Weise derartige Kontaktflächen an der Unterseite des Chipsubstrats. Bei gehäusten Chips können solche Anschlussflächen beispiels- weise auch an den Enden entsprechender Anschlussstifte bzw. Anschlussdrähte vorgesehen sein.In the case of an unhoused chip, such contact surfaces are usually located on the underside of the chip substrate. In the case of packaged chips, such connection surfaces can, for example, wise also be provided at the ends of corresponding pins or connecting wires.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine der beiden Kontaktflächen an einem Anschlussdraht des betreffenden Bauelements ausgebildet ist oder das betreffende Bauelement als solches ein Anschlussdraht ist.In one embodiment, it is provided that at least one of the two contact surfaces is formed on a connecting wire of the relevant component or the component in question as such is a connecting wire.
Beispielsweise kann eine Kontaktfläche am Ende eines An- schlussdrahtes aufgeraut werden und mit oder ohne Zwischenfügung eines Hilfsstoffes (z. B. Lot) auf ein Anschlusspad eines Schaltungsträgers gedrückt werden.For example, a contact surface at the end of a connecting wire can be roughened and pressed onto a connection pad of a circuit carrier with or without the interposition of an auxiliary substance (eg solder).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden Bauelemente ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil der Schaltungsanordnung ist.In one embodiment, it is provided that at least one of the two components is a housing or a housing part of the circuit arrangement.
In diesem Fall kann z. B. eine mit der erfindungsgemäßen Verbindung realisierbare Dichtfunktion von großem praktischen Nutzen sein.In this case, z. B. be realized with the compound of the invention sealing function of great practical value.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden Bauteile ein Kühlkörper ist.In one embodiment, it is provided that at least one of the two components is a heat sink.
In diesem Anwendungsfall können besondere Vorteile hinsichtlich eines niedrigen Wärmeübergangswiderstandes zwischen dem zu kühlenden Bauelement (z. B. Schaltungsträger, Gehäuse oder Gehäuseteil, Bauelement im engeren Sinne wie z. B. aktiver Leistungshalbleiter etc.) und dem Kühlkörper erzielt werden.In this application, special advantages with regard to a low heat transfer resistance between the component to be cooled (eg circuit carrier, housing or housing part, component in the narrower sense, such as, for example, active power semiconductors, etc.) and the heat sink can be achieved.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Kontaktflächen durch direktes Aneinanderfügen miteinander verbunden sind. Alternativ oder an einer anderen Stelle derselben Schaltungsanordnung kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Kontaktflächen unter Zwischenfügung eines Hilfsstoffes aneinandergefügt sind. Ein für den jeweiligen Anwendungsfall geeignetes Ausmaß an Druck beim Aneinanderfügen der betreffenden Bauelemente hängt von der Art und Beschaffenheit (z. B. Material und Aufrau- ungsgeometrie) der betreffenden Kontaktflächen ab und kann im Einzelfall optimiert gewählt werden. Der Fügeprozess kann auch z. B. mittels Ultraschall und/oder eine Temperierung durchgeführt oder unterstützt werden.In one embodiment, it is provided that the two contact surfaces are interconnected by direct joining. Alternatively or at another point of the same circuit arrangement can also be provided that the two contact surfaces are joined together with the interposition of an auxiliary material. A degree of pressure suitable for the respective application when joining the respective components depends on the type and nature (eg material and roughening geometry) of the relevant contact surfaces and can be optimized in individual cases. The joining process can also z. B. carried out or supported by means of ultrasound and / or a temperature.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine der beiden Kontaktflächen eine Metallfläche ist.In one embodiment, it is provided that at least one of the two contact surfaces is a metal surface.
Bei den beiden Kontaktflächen kann es sich um Flächen gleicher oder unterschiedlicher Beschaffenheit handeln. So können z. B. zwei als Metallflächen ausgebildete Kontaktflächen an- einandergefügt werden. Alternativ kann z. B. eine Metallfläche mit einer Kunststofffläche verbunden werden. Bei einer Metall-Metall-Verbindung kann z. B. eine Aufrauung beider Metallflächen vorgesehen sein, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung realisiert werden kann. Bei einer Metall- Kunststoff-Verbindung oder ganz allgemein einer Verbindung zwischen einem relativ festen Material und einem relativ weichen Material (gegebenenfalls auch beides Metalle) kann eine Formschlussverbindung auch dann geschaffen werden, wenn das weichere Material vor dem Fügen nicht aufgeraut wurde.The two contact surfaces may be surfaces of the same or different nature. So z. For example, two contact surfaces designed as metal surfaces can be joined together. Alternatively, z. B. a metal surface are connected to a plastic surface. In a metal-metal compound, for. B. a roughening of both metal surfaces may be provided, whereby a non-positive connection can be realized. In a metal-plastic compound or more generally a connection between a relatively solid material and a relatively soft material (possibly also both metals), a positive connection can be created even if the softer material was not roughened before joining.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aufrauung im Mikrostrukturbereich vorgesehen ist. Beispielsweise können typische Abmessungen von Aufrauungsstrukturen kleiner als lμm sein .In one embodiment it is provided that the roughening is provided in the microstructure region. For example, typical dimensions of roughening structures may be less than 1 μm.
Eine derartige Art bzw. Dimensionierung der Aufrauung kann z. B. sehr vorteilhaft für herkömmliche Anschlusspads an Schaltungsträgern oder elektrischen oder elektronischen Bauelementen Verwendung finden, um die an diesen Stellen bislang übli- che Verlötung zu verbessern oder ganz zu ersetzen. Die vorstehend erläuterten Weiterbildungen bzw. Besonderheiten der Schaltungsanordnung können einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander vorgesehen werden. Entsprechende Weiterbildungen und Ausgestaltungen können auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltungsanordnung eingesetzt werden.Such a type or dimensioning of the roughening z. B. very advantageous for conventional pads on circuit boards or electrical or electronic components are used to improve the usual soldering at these points soldering or completely replaced. The above-explained refinements or peculiarities of the circuit arrangement can be provided individually or in different combinations with each other. Corresponding developments and refinements can also be used for the method according to the invention for producing such a circuit arrangement.
In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass vor und/oder während des Fügeprozesses eine Temperierung der Verbindungsstelle erfolgt, insbesondere z. B. das Aufeinanderpressen bei einer erhöhten Temperatur erfolgt.In one embodiment of the manufacturing method is provided that takes place before and / or during the joining process, a temperature of the joint, in particular z. B. the pressing together takes place at an elevated temperature.
In einer Ausführungsform ist, wie oben für die Schaltungsan- Ordnung bereits erwähnt, vorgesehen, dass die beiden Kontaktflächen durch eine direkte Aneinanderfügung miteinander verbunden werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Kontaktflächen unter Zwischenfügung eines Hilfsstoffes aneinandergefügt werden.In one embodiment, as already mentioned above for the Schaltungsan- order, provided that the two contact surfaces are connected by a direct joining together. Alternatively, it can also be provided that the two contact surfaces are joined together with the interposition of an auxiliary substance.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Aufrauen im Mikrostrukturbereich erfolgt.In one embodiment, it is provided that the roughening takes place in the microstructure region.
Was den Aufrauungsprozess als solchen anbelangt, so kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft auf an sich bekannte Techniken zurückgegriffen werden. In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass das Aufrauen eine mechanische Bearbeitung der betreffenden Kontaktfläche umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann z. B. vorgesehen sein, dass das Auf- rauen den Einsatz einer Ionenstrahltechnik umfasst.As far as the roughening process as such is concerned, it is possible in the context of the invention to make advantageous recourse to known techniques. In one embodiment, it is provided, for example, that the roughening comprises a mechanical processing of the relevant contact surface. Alternatively or additionally, for. For example, it may be provided that the roughening involves the use of an ion beam technique.
Die Erfindung kann für viele Anwendungsbereiche verwendet werden .The invention can be used for many applications.
Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist beispielsweise die mechanische und elektrische (galvanische) Verbindung zwischen den betreffenden Bauelementen, sei es ohne Hilfsstoffe (z. B. Lot, Kleber, Schrauben etc.) oder mit derartigen Hilfsstof- fen .A preferred field of application is, for example, the mechanical and electrical (galvanic) connection between the relevant components, be it without auxiliary substances (eg. Solder, glue, screws, etc.) or with such auxiliaries.
Eine weitere bevorzugte Verwendung besteht in der mechani- sehen Fixierung eines Bauelementes bei gleichzeitiger Abdichtung bzw. Dichtfunktion.Another preferred use is the mechanical fixation of a component with simultaneous sealing or sealing function.
Gegebenenfalls kann die Erfindung auch verwendet werden, um eine besonders gute thermische Anbindung eines betreffenden Bauelementes an ein anderes Bauelement zu realisieren.Optionally, the invention can also be used to realize a particularly good thermal connection of a respective component to another component.
Eine weitere interessante Verwendung besteht darin, an sich bekannte Drahtbondstellen einer Schaltungsanordnung zu verbessern oder ganz zu ersetzen.Another interesting use is to improve on known Drahtbondstellen a circuit arrangement or completely replaced.
Auch kann die Erfindung ganz allgemein als Ersatz oder Verbesserung von Lötstellen bei Schaltungsanordnungen verwendet werden. Eine Verbesserung kann z. B. in einer Verlängerung der Lebensdauer und/oder einer Vermeidung oder Verkleinerung von Lunkern bei einer Lötstelle bestehen.Also, the invention can be used quite generally as a replacement or improvement of solder joints in circuit arrangements. An improvement can z. B. exist in an extension of the life and / or avoidance or reduction of voids at a solder joint.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:The invention will be further described by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aufrauungs- prozesses für zwei miteinander zu verbindendeFig. 1 is a schematic representation of a roughening process for two to be joined together
Kontaktflächen,Contact surfaces,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung nachFig. 2 is a representation corresponding to FIG. 1
Abschluss des Aufrauungsprozesses,Completion of the roughening process,
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht nach demFig. 3 is a view corresponding to FIG. 2 after
Zusammenfügen der beiden Kontaktflächen,Joining the two contact surfaces,
Fig. 4 eine Draufsicht einer Kontaktflächenanordnung bei einem QFN-Bauelement, Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Ansicht für ein SMD-Bauelernent,4 shows a plan view of a contact surface arrangement in a QFN component, 5 is a view corresponding to FIG. 4 for a SMD Bauelernent,
Fig. 6 eine Draufsicht einer bestückten Schaltungsplatte,6 is a plan view of a populated circuit board,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsbereiches gemäß eines weiteren Ausführungsbei- spiels,7 shows a perspective view of a connection region according to a further exemplary embodiment,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Verbunds aus zwei Leiterplatten,8 is a perspective view of a composite of two printed circuit boards,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Verbunds aus zwei Leiterplatten über eine weitere, flexible Leiterplatte,9 is a perspective view of a composite of two printed circuit boards on another flexible circuit board,
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung zur Veranschau- lichung des Platzbedarfs von Lötpads,10 is a perspective view for illustrating the space requirement of soldering pads,
Fig. 11 eine schematische Seitenansicht eines Abdichtungsbereiches zwischen einem Gehäusedeckel und einem Gehäuseboden von herkömmlicher Gestaltung,11 is a schematic side view of a sealing area between a housing cover and a housing bottom of conventional design,
Fig. 12 eine Ansicht ähnlich der Fig. 11, jedoch von erfindungsgemäßer Gestaltung,12 is a view similar to FIG. 11, but of inventive design,
Fig. 13 eine Ansicht ähnlich der Fig. 11, gemäß einer mo- difizierten Ausführungsform,13 is a view similar to FIG. 11, according to a modified embodiment,
Fig. 14 eine Ansicht ähnlich der Fig. 13, jedoch für eine erfindungsmäße Gestaltung,14 is a view similar to FIG. 13, but for a erfindungsmäße design,
Fig. 15 eine Darstellung zur Veranschaulichung einesFig. 15 is an illustration for illustrating a
Drahtbondens gemäß zweier Ausführungsvarianten, Fig. 16 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Lötprozesses, einerseits von herkömmlicher Art (Fig. 16 links) und andererseits von erfindungsgemäßer Art (Fig. 16 rechts),Wire bonding according to two variants, 16 shows a representation to illustrate a soldering process, on the one hand of conventional type (FIG. 16, left) and, on the other hand, of the type according to the invention (FIG. 16, right),
Fig. 17 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Erhöhung einer Kühloberfläche bei einem Kühlkörper mittels eines Aufrauungsprozesses,17 is an illustration for illustrating the increase of a cooling surface in a heat sink by means of a roughening process,
Fig. 18 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Anbringung eines Kühlkörpers an einem Bauelement einer Schaltungsanordnung, und18 is an illustration for illustrating the attachment of a heat sink to a device of a circuit arrangement, and
Fig. 19 eine Veranschaulichung von konkreteren Anwen- dungsbeispielen des in Fig. 18 dargestellten Anbringungsverfahrens .FIG. 19 is an illustration of more concrete application examples of the mounting method shown in FIG. 18. FIG.
Die Fig. 1 bis 3 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Schaltungsanordnung, bei welcher zumindest zwei Bauelemente galvanisch und/oder mechanisch zu verbinden sind.FIGS. 1 to 3 illustrate an exemplary embodiment of a method for producing a circuit arrangement in which at least two components are to be galvanically and / or mechanically connected.
Fig. 1 zeigt beim Aufbau einer (insgesamt nicht dargestellten) Schaltungsanordnung galvanisch und mechanisch miteinan- der zu verbindende Bauelemente 10-1 und 10-2 (z. B. elektronische Komponente und Schaltungsträger) .1 shows in the construction of a circuit arrangement (not shown in total) galvanically and mechanically interconnected components 10-1 and 10-2 (eg electronic component and circuit carrier).
Die Bauelemente 10-1 und 10-2 weisen jeweils eine Kontaktfläche 12-1 bzw. 12-2 auf, bei denen es sich im dargestellten Ausführungbeispiel um Metallflächen handelt, an denen dieThe components 10-1 and 10-2 each have a contact surface 12-1 and 12-2, which are in the illustrated embodiment, metal surfaces on which the
Verbindung zwischen den Bauelementen realisiert werden soll. In Fig. 1 ist ferner eine Ionenstrahleinrichtung 14 symbolisiert, mittels welcher zunächst eine Aufrauung zumindest einer der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 erfolgt. Im dargestell- ten Ausführungsbeispiel werden beide Kontaktflächen aufge- raut, bevorzugt jeweils im Mikrostrukturbereich. Fig. 2 zeigt (stark schematisiert und vergrößert) das Ergebnis des Aufrauungsprozesses von Fig. 1. An jeder der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 ist eine Vielzahl von abstehenden Strukturkörpern geschaffen.Connection between the components to be realized. In Fig. 1, an ion beam device 14 is further symbolized, by means of which first a roughening of at least one of the contact surfaces 12-1 and 12-2. In the illustrated embodiment, both contact surfaces are roughened, preferably in each case in the microstructure region. Fig. 2 shows (highly schematic and enlarged) the result of the roughening process of Fig. 1. At each of the contact surfaces 12-1 and 12-2, a plurality of protruding structural bodies is provided.
Fig. 3 zeigt, wie sich nach einer Aneinanderfügung der Bauelemente 10-1 und 10-2 an deren Kontaktflächen 12-1 bzw. 12-2 diese Strukturkörper ineinander verzahnen. Damit wird eine vorteilhaft einfach zu realisierende, mechanisch stabile und elektrisch gut leitfähige Verbindung der Bauelemente geschaffen .FIG. 3 shows how, after the components 10-1 and 10-2 have been joined to one another at their contact surfaces 12-1 or 12-2, these structural bodies mesh with one another. This creates an advantageously easy-to-implement, mechanically stable and electrically highly conductive connection of the components.
Zusammenfassend veranschaulicht dieses Ausführungsbeispiel eine mechanische Fixierung einer Metallfläche auf einer ande- ren Metallfläche unter Erhalt der elektrischen Leitfähigkeit. Es können zwei Metallflächen gleicher oder unterschiedlicher Beschaffenheit so miteinander fixiert werden, dass die Verbindung einer inneren sowie einer äußeren Belastung standhält, und zwar unter Beibehaltung der elektrischen Leitfähig- keit an dieser Verbindungsstelle. Anders als die bislang nach dem Stand der Technik eingesetzten Methoden zur Fixierung von Metallflächen kann die in Fig. 3 veranschaulichte Verbindung in vielen Anwendungsfällen eine höher Lebensdauer aufweisen und/oder den jeweiligen Belastungen länger widerstehen. Au- ßerdem kann die in Fig. 3 veranschaulichte Fixierungsmethode oftmals mit einem geringen Oberflächenbedarf als z. B. eine herkömmliche Verlötung ausgeführt werden.In summary, this embodiment illustrates a mechanical fixation of a metal surface on another metal surface while maintaining the electrical conductivity. Two metal surfaces of the same or different nature can be fixed to one another in such a way that the connection withstands both internal and external loading, while maintaining the electrical conductivity at this connection point. Unlike the methods previously used according to the state of the art for fixing metal surfaces, the connection illustrated in FIG. 3 can in many applications have a longer service life and / or withstand the respective loads for a longer time. In addition, the fixation method illustrated in FIG. B. a conventional soldering can be performed.
Wesentlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel die durch einen Ionenstrahl (alternativ z. B. durch eine mechanische Bearbeitung) modifizierte Kontaktfläche eines oder beider Bauelemente 10-1 und 10-2. Durch die Strukturveränderung der Metalloberflächen können die Flächen in der Form modifiziert werden, dass ähnlich einem Klettverschluss eine mechanische Ver- bindung oder auch Verzahnung zwischen den zusammengeführten Kontaktflächen 12-1 und 12-2 erreicht wird. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte auch nur eine der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 aufgeraut werden, wenn nämlich bei dem Fügeprozess, gegebenenfalls unter entsprechender Druckanwendung (und/oder Temperierung) , dennoch eine Verzahnung zwischen den Strukturkörpern der aufgerauten Fläche mit der unbehandelten Fläche stattfindet, die hierfür z. B. aus einem Material mit entsprechender Nachgiebigkeit gebildet werden kann.What is essential in this exemplary embodiment is the contact surface of one or both components 10-1 and 10-2 modified by an ion beam (alternatively, for example, by mechanical processing). As a result of the structural change of the metal surfaces, the surfaces can be modified in the form that, similar to a hook-and-loop fastener, a mechanical bond or also a toothing between the merged contact surfaces 12-1 and 12-2 is achieved. Deviating from the illustrated embodiment, only one of Contact surfaces 12-1 and 12-2 are roughened, namely, when in the joining process, optionally under appropriate pressure application (and / or tempering), yet a gearing between the structural bodies of the roughened surface with the untreated surface takes place, the z. B. can be formed from a material with appropriate flexibility.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Kontaktflächen 12-1 und 12-2 direkt aneinandergefügt. Dies besitzt beispielsweise den Vorteil eines geringen Platzbedarfes der Verbindungsstelle in Fügerichtung. Dieser geringe Platzbedarf kann bei der betreffenden Schaltungsanordnung z. B. für eine hohe Packungsdichte genutzt werden.In the illustrated embodiment, the two contact surfaces 12-1 and 12-2 are joined together directly. This has, for example, the advantage of a small footprint of the joint in the joining direction. This small footprint can in the relevant circuit z. B. be used for a high packing density.
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte jedoch auch ein Hilfsstoff verwendet werden, der eine zusätzliche mechanische Fixierung und/oder eine Verbesserung der galvanischen Verbindung mit sich bringt bzw. dessen Verbindungs- Wirkung durch die beschriebene Aufrauung wenigstens einer der Kontaktflächen 12-1 und 12-2 hinsichtlich der Belastbarkeit bzw. der Lebensdauer verbessert wird.Deviating from the illustrated embodiment, however, an adjuvant could be used, which brings an additional mechanical fixation and / or an improvement of the galvanic connection or its connection effect by the roughening described at least one of the contact surfaces 12-1 and 12-2 in terms the load capacity and the life is improved.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Fixierung der aufgerauten Kontaktflächen 12-1 und 12-2 kann zusätzlich eine Anwendung von vergleichsweise hohem mechanischen Druck und/oder eine Temperierung, insbesondere eine erhöhte Temperatur, angewendet werden. Als gegebenenfalls zwischengefügter Hilfsstoff kommt z. B. ein Kleber oder ein Lot in Betracht.In the fixation of the roughened contact surfaces 12-1 and 12-2 shown in FIG. 3, it is additionally possible to use an application of comparatively high mechanical pressure and / or a temperature control, in particular an elevated temperature. As optionally intervened excipient comes z. As an adhesive or a solder into consideration.
Bei den Bauelementen 12-1 und 12-2 kann es sich um "Bauelemente im engeren Sinne" handeln, also insbesondere elektrische oder elektronische Komponenten (z. B. Halbleiterbausteine) , die mechanisch und elektrisch mit einem Schaltungsträger (z. B. Leiterplatte) verbunden werden, um die betreffendeThe components 12-1 and 12-2 may be "components in the narrower sense", ie in particular electrical or electronic components (eg semiconductor components) that are mechanically and electrically connected to a circuit carrier (eg printed circuit board). be connected to the concerned one
Schaltungsanordnung auszubilden. Ganz allgemein kann für das beschriebene Verbindungsverfahren jedoch z. B. ein Schal- tungsträger selbst als "Bauelement" der betreffenden Schaltungsanordnung angesehen werden. Ebenso kann ein in dieser Weise galvanisch und/oder mechanisch anzubindendes Bauelement von einer Gehäuseanordnung der Schaltungsanordnung gebildet sein.Form circuit arrangement. In general, however, for the connection method described z. B. a Schal- Carrier itself be regarded as a "component" of the relevant circuit arrangement. Likewise, a component which can be galvanically and / or mechanically connected in this manner can be formed by a housing arrangement of the circuit arrangement.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further embodiments, the same reference numerals are used for equivalent components, each supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. In this case, essentially only the differences from the embodiment (s) already described are discussed and, moreover, reference is hereby explicitly made to the description of previous exemplary embodiments.
Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils ein Beispiel eines gehäusten Halbleiter-Bauelements von an sich bekannter Art, die jedoch ohne weiters im Rahmen der Erfindung verwendbar sind.FIGS. 4 and 5 each show an example of a packaged semiconductor device of a type known per se, which, however, are readily usable within the scope of the invention.
Fig. 4 ist eine Draufsicht der Unterseite eines so genannten QFN(quad flat no-lead) -Bauelements lOa-1. Im dargestellten Beispiel weist das Bauelement lOa-1 32 Kontaktflächen 12a-l ( "Anschlusspads" ) auf. Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können diese Kontaktflächen 12a-l z. B. mit korrespondierend angeordneten Kontaktflächen eines Schaltungsträgers (z. B. Leiterplatte) galvanisch und mechanisch verbunden werden.4 is a bottom plan view of a so-called QFN (quad flat no-lead) device 10A-1. In the example shown, the device 10a-1 has 32 contact surfaces 12a-1 ("connection pads"). In the manufacture of a circuit arrangement according to the invention, these contact surfaces 12a-l z. B. with correspondingly arranged contact surfaces of a circuit carrier (eg., Printed circuit board) are electrically and mechanically connected.
Das miteinander Verbinden der korrespondierenden Kontaktflä- chen kann hierbei wie anhand der Fig. 1 bis 3 bereits beschrieben erfolgen.The interconnection of the corresponding contact surfaces can in this case be effected as already described with reference to FIGS. 1 to 3.
Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht die Unterseite eines so genannten SMD (surface-mounted device) -Bauelements lOb-1, wel- ches im dargestellten Beispiel zwei Kontaktflächen 12b-l aufweist . Bei vielen standardisierten elektronischen Bauelementen bzw. Bauelementgehäusen ist für einen herkömmlichen Verlötungsvor- gang auf einer Schaltungsplatte vorgesehen, dass die korrespondierenden Kontaktflächen der Leiterplatte geringfügig grö- ßer bemessen sind als die Kontaktflächen des Bauelements.FIG. 5 shows a plan view of the underside of a so-called SMD (surface-mounted device) component 10B-1, which in the example shown has two contact surfaces 12b-1. In the case of many standardized electronic components or component housings, it is provided for a conventional soldering process on a circuit board that the corresponding contact surfaces of the printed circuit board are dimensioned to be slightly larger than the contact surfaces of the component.
Wenn die galvanische und/oder mechanische Verbindung bei solchen Bauelementen jedoch gemäß der Erfindung realisiert wird, so können die korrespondierenden Kontaktflächen des betreffenden "Fügepartners" (z. B. Leiterplatte) vorteilhaft klei- ner dimensioniert werden, insbesondere z. B. mit identisch zu den Bauelement-Kontaktflächen dimensionierten Flächen.However, if the galvanic and / or mechanical connection is realized in such components according to the invention, then the corresponding contact surfaces of the respective "joining partner" (eg printed circuit board) can advantageously be dimensioned smaller, in particular z. B. with dimensions identical to the component contact surfaces.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 16c umfassend eine Leiterplatte 10c-2, die an ihrer Oberseite mit einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen bestückt ist. Zumindest einige dieser Bauelemente sind als so genannte "ba- re-dies" (ungehäuste Chips) lOc-1 ausgebildet und gemäß der Erfindung, beispielsweise wie oben bereits anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben, galvanisch und mechanisch mit korrespon- dierenden Leiterbahnabschnitten der Leiterplatte 10c-2 verbunden .Fig. 6 shows an example of a circuit arrangement 16c comprising a printed circuit board 10c-2, which is equipped on its upper side with a plurality of electronic components. At least some of these components are embodied as so-called "bare-dies" (unpackaged chips) 10c-1 and according to the invention, for example as described above with reference to FIGS. 1 to 3, galvanically and mechanically with corresponding conductor track sections Printed circuit board 10c-2 connected.
Fig. 7 veranschaulicht eine Beispiel eines elektronischen Bauelements lOd-1 auf einer Leiterplatte 10d-2. Die Leiter- platte 10d-2 ist mit elektrischen Durchführungen ("vias") 18d von an sich bekannter Art versehen, in deren Bereichen eine elektrische Kontaktierung des Bauelements lOd-1 über so genannte Lotkugeln 20d erfolgt.Fig. 7 illustrates an example of an electronic device 10d-1 on a circuit board 10d-2. The printed circuit board 10d-2 is provided with electrical feedthroughs ("vias") 18d of a type known per se, in the regions of which electrical contacting of the component 10D-1 takes place via so-called solder balls 20d.
Eine Besonderheit dieser galvanischen und mechanischen Verbindung besteht darin, dass mit dem Lot in Kontakt tretende Kontaktflächenbereiche der Durchführungen 18d und/oder des Bauelements lOd-1 zuvor aufgeraut wurden.A special feature of this galvanic and mechanical connection is that contact surface areas of the leadthroughs 18d and / or of the component 10d-1 which come into contact with the solder have been previously roughened.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 16e umfassend ein erstes Substrat lOe-1 und ein zweites Substrat 10e-2, die galvanisch und mechanisch gemäß der Erfindung mit- einander verbunden sind. Diese Verbindung besteht zwischen Kontaktflächen an der Unterseite des ersten Substrats lOe-1 und korrespondierenden Kontaktflächen an der Oberseite zweiten Substrats 10e-2. Bei den Substraten lOe-1 und 10e-2 kann es sich um organische und/oder anorganische Substrate handeln .8 shows an example of a circuit arrangement 16e comprising a first substrate 10e-1 and a second substrate 10e-2, which are galvanically and mechanically provided according to the invention. are connected to each other. This connection consists of contact surfaces on the underside of the first substrate 10e-1 and corresponding contact surfaces on the upper side of the second substrate 10e-2. The substrates lOe-1 and 10e-2 may be organic and / or inorganic substrates.
Wie es in Fig. 8 ersichtlich ist, dienen beide Substrate 1Oe- 1 und 10e-2 jeweils als Schaltungsträger zur elektrischen Verbindung weiterer Bauelemente der Schaltungsanordnung 16e.As can be seen in FIG. 8, both substrates 1Oe-1 and 10e-2 each serve as circuit carriers for the electrical connection of further components of the circuit arrangement 16e.
Fig. 9 zeit ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 16f umfassend zwei starre Leiterplatten lOf-1, die über eine flexible Leiterplatte ("flex PCB") 10f-2 miteinander verbunden sind.Fig. 9 shows an example of a circuit arrangement 16f comprising two rigid printed circuit boards 10f-1 which are connected to each other via a flexible printed circuit board ("flex PCB") 10f-2.
Wie es aus Fig. 9 ersichtlich ist, dienen die starren Leiterplatten lOf-1 als Schaltungsträger zur Aufnahme von herkömmlichen elektronischen Bauelementen. Die Besonderheit der Schaltungsanordnung 16f besteht in der Art und Weise der gal- vanischen und mechanischen Anbindung der beiden Endbereiche der flexiblen Leiterplatte 10f-2 an entsprechenden Kontaktie- rungsbereichen an den Oberseiten der starren Leiterplatten lOf-1. Von diesen beiden "Fügepartnern" weist zumindest einer eine aufgeraute Kontaktflächenanordnung auf.As is apparent from FIG. 9, the rigid printed circuit boards 10f-1 serve as circuit carriers for accommodating conventional electronic components. The peculiarity of the circuit arrangement 16f consists in the manner of the galvanic and mechanical connection of the two end regions of the flexible printed circuit board 10f-2 to corresponding contacting regions on the upper sides of the rigid printed circuit boards 10f-1. Of these two "joining partners" at least one has a roughened contact surface arrangement.
Fig. 10 veranschaulicht den herkömmlicherweise großen Platzbedarf von Kontaktflächen 12g-2 an einer Flachseite eines Substrats 10g-2 zur Kontaktierung entsprechender Kontaktflächen eines elektronischen Bauelements lOg-1 (z. B. SMD- Komponente) .10 illustrates the conventionally large space requirement of contact surfaces 12g-2 on a flat side of a substrate 10g-2 for contacting corresponding contact surfaces of an electronic component 10g-1 (eg SMD component).
Wenn gemäß der Erfindung die substratseitigen Kontaktflächen 12g-2 oder die bauteilseitigen Kontaktflächen oder beide dieser Kontaktflächen aufgeraut werden, so können die substrat- seitigen Kontaktflächen 12g-2 kleiner als in Fig. 10 dargestellt vorgesehen werden. Die Verbindung kann durch einfaches Aneinanderfügen bzw. Pressen erfolgen, wobei keineswegs aus- geschlossen sein soll, dass als Hilfsstoff z. B. ein Lot oder ein elektrisch leitfähiger Kleber zwischengefügt wird. Insbesondere bei Verwendung eines Lots ist es zweckmäßig den Pressvorgang bei erhöhter Temperatur durchzuführen. Im Ver- gleich zu einer herkömmlichen Verlötung (ohne Aufrauung wenigstens einer Kontaktfläche) ergibt sich eine wesentlich verbesserte Kontaktsicherheit und Haltbarkeit der Verbindung. Außerdem kann der Fügeprozess z. B. mittels Ultraschall durchgeführt oder unterstützt werden.According to the invention, if the substrate-side contact surfaces 12g-2 or the component-side contact surfaces or both of these contact surfaces are roughened, then the substrate-side contact surfaces 12g-2 can be provided smaller than shown in FIG. The connection can be made by simply joining or pressing, whereby by no means should be closed, that as an excipient z. B. a solder or an electrically conductive adhesive is interposed. In particular, when using a solder, it is expedient to carry out the pressing process at elevated temperature. Compared to a conventional soldering (without roughening at least one contact surface) results in a much improved contact reliability and durability of the connection. In addition, the joining process z. B. performed or supported by means of ultrasound.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 1 bis 10 steht die Verwendung der Erfindung zur galvanischen und/oder mechanischen Verbindung von Bauelementen im engeren Sinne und Schaltungsträgern im Vordergrund. Die Erfindung besitzt je- doch ein sehr breites Anwendungsspektrum. Nachfolgend wird mit Bezug auf die Fig. 11 bis 14 beispielsweise die Verwendung der Erfindung für "Bauelemente" in Form von Gehäusen o- der Gehäuseteilen von Schaltungsanordnungen veranschaulicht.In the above embodiments according to FIGS. 1 to 10, the use of the invention for the galvanic and / or mechanical connection of components in the strict sense and circuit carriers is in the foreground. However, the invention has a very wide range of applications. For example, the use of the invention for "components" in the form of housings or housing parts of circuit arrangements is illustrated below with reference to FIGS. 11 to 14.
Fig. 11 zeigt in einer schematischen Seitenansicht die an sich bekannte Anbindung des Randbereiches eines Gehäusedeckels 30h einer (nicht dargestellten) Schaltungsanordnung an einem Gehäuseboden 32h mittels einer Dichtung 34h. Nicht dargestellt sind für diese Verbindungsmethode übliche Befesti- gungsmittel (z. B. Schrauben, Nieten etc.), welche den Gehäusedeckel 30h in der dargestellten Lage bezüglich des Gehäusebodens 32h fixieren und die Dichtung 34h dazwischen einklemmen .11 shows a schematic side view of the per se known connection of the edge region of a housing cover 30h of a (not shown) circuit arrangement on a housing bottom 32h by means of a seal 34h. Not shown are for this connection method usual fastening means (eg screws, rivets, etc.), which fix the housing cover 30h in the position shown with respect to the housing bottom 32h and clamp the seal 34h between them.
Nachteiligerweise müssen die Gehäuseteile 30h und 32h unter Verwendung solcher Befestigungsmittel (auch z. B. Kleber) miteinander verbunden werden. Die hier gewünschte Dichtfunktion der Verbindung erfordert einen speziellen Dichtwerkstoff in Form der Dichtung 34h (z. B. Einlegedichtung, Dichtraupe, Dichtgel etc.), was einen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung der Schaltungsanordnung darstellt. Die Vermeidung dieser zusätzlichen Teile sowie des schwer automatisierbaren Aufwands lassen sich in einfacher Weise durch eine Modifikation realisieren, wie sie z. B. in Fig. 12 dargestellt ist.Disadvantageously, the housing parts 30h and 32h must be connected to each other using such fastening means (also for example adhesives). The sealing function of the connection desired here requires a special sealing material in the form of the seal 34h (eg insertion seal, sealing bead, sealing gel etc.), which represents an additional expense in the production of the circuit arrangement. The avoidance of these additional parts and the hard-to-automate effort can be realized in a simple manner by a modification, as z. B. in Fig. 12 is shown.
Fig. 12 zeigt wieder einen Gehäusedeckel lOh-1, dessen Deckelrand mit einem Randbereich eines Gehäusebodens 10h-2 mechanisch verbunden ist, wobei eine Dichtfunktion an dieser Verbindungsstelle gewährleistet ist.FIG. 12 again shows a housing cover 10h-1 whose cover edge is mechanically connected to an edge region of a housing bottom 10h-2, a sealing function being ensured at this connection point.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gehäuseboden 10h-2 aus Metall gefertigt und der Gehäusedeckel lOh-1 aus Kunststoff gefertigt. Zur Herstellung der Verbindung zwischen Gehäuseboden und Gehäusedeckel wurde eine Kontaktfläche des metallischen Gehäusebodens 10h-2 aufgeraut (z. B. mittels Ionenstrahl) und sodann der Deckel lOh-1 auf den Boden 10h-2 aufgepresst. Das aufgeraute Metall-Teil 10h-2 weist im Verbindungsbereich nach oben abstehende Strukturelemente auf, die sich beim Pressvorgang in das Kunststoffmaterial des De- ckels lOh-1 eindrücken, so dass eine formschlüssige Verbindung entsteht.In the illustrated embodiment, the housing bottom 10h-2 is made of metal and the housing cover 10h-1 made of plastic. To produce the connection between the housing bottom and the housing cover, a contact surface of the metallic housing bottom 10h-2 was roughened (eg by means of an ion beam) and then the cover 10H-1 was pressed onto the bottom 10h-2. The roughened metal part 10h-2 has upwardly projecting structural elements in the connection area, which press into the plastic material of the cover 10H-1 during the pressing process, so that a form-fitting connection is created.
Die so realisierte Verbindung besitzt vorteilhaft bereits eine Dichtfunktion, so dass sich die Bereitstellung und Montage einer separaten Dichtung oder dergleichen erübrigt.The connection thus realized advantageously already has a sealing function, so that the provision and installation of a separate seal or the like is unnecessary.
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte das Aufrauen auch für beide Fügepartner (Deckel lOh-1 und Boden 10h-2) vorgesehen sein. Auch könnten die Materialien anders als vorstehend beschrieben gewählt sein. Auch bei solchen modifizierten Ausführungen entsteht beim Zusammenbau eine Verbindung, die form- und/oder kraftschlüssig sein kann. Werden z. B. der Deckel lOh-1 wie auch der Boden 10h-2 aus Metall gebildet und an den korrespondierenden Kontaktflächen aufge- raut und miteinander verbunden, so entsteht hauptsächlich eine kraftschlüssige Verbindung, die außerdem formschlüssig sein kann, falls ein Fügepartner eine gewisse Elastizität bzw. Verformbarkeit aufweist.Deviating from the illustrated embodiment, the roughening could also be provided for both joining partners (lid 10h-1 and bottom 10h-2). Also, the materials could be chosen other than those described above. Even with such modified versions, a connection is produced during assembly, which can be positive and / or non-positive. Are z. For example, if the cover 10H-1 as well as the bottom 10h-2 are formed of metal and roughened on the corresponding contact surfaces and connected to one another, the result is primarily a frictional connection, which also has a positive fit can be, if a joining partner has a certain elasticity or deformability.
Beim Fügevorgang der Partner kann zusätzlich ein relativ ho- her Druck und gegebenenfalls auch eine erhöhte Temperatur eine positive Auswirkung auf die Festigkeit bzw. die Dichtheit der geschaffenen Verbindung haben.In addition, during the joining process of the partners, a relatively high pressure and optionally also an elevated temperature can have a positive effect on the strength or the tightness of the connection created.
Vorteilhaft kann durch die geometrische Strukturveränderung wenigstens einer der beteiligten Oberflächen eine Verwendung von bislang üblichen Hilfsstoffen (Schrauben, Dichtungen etc.) entfallen. Der Montageprozess wird damit stark vereinfacht und die Materialkosten verringert.Advantageously, by the geometric structural change of at least one of the surfaces involved a use of hitherto conventional excipients (screws, gaskets, etc.) omitted. The assembly process is greatly simplified and the material costs are reduced.
Fig. 13 zeit ein modifiziertes Beispiel einer Verbindung zwischen einem Gehäusedeckel 30i und einem Gehäuseboden 32i, wobei eine Abdichtung im dargestellten Randbereich der Gehäuseanordnung 30i, 32i in an sich bekannter Weise unter Verwendung von zwei Dichtungen 34i und 36i erfolgt. Diese Dichtun- gen dichten jeweils gegenüber einem Abstandhalter 38i ab.FIG. 13 shows a modified example of a connection between a housing cover 30i and a housing bottom 32i, sealing in the illustrated edge region of the housing arrangement 30i, 32i in a manner known per se using two seals 34i and 36i. These seals each seal against a spacer 38i.
Fig. 14 zeigt eine ähnliche Gehäusestruktur mit einem Gehäusedeckel 10j -1 und einem Gehäuseboden 10j -2, die wieder über einen Abstandhalter 10j -3 dichtend miteinander verbunden sind. Wie es in Fig. 14 symbolisiert ist, sind die Übergänge vom Abstandhalter 10J-3 einerseits zum Deckel lOj-1 hin und andererseits zum Boden 10j -2 hin jeweils in erfindungsgemäßer Weise ausgeführt.Fig. 14 shows a similar housing structure with a housing cover 10j -1 and a housing bottom 10j -2, which are again connected to each other via a spacer 10j -3 sealingly. As symbolized in FIG. 14, the transitions from the spacer 10J-3 on the one hand to the cover 10J-1 and, on the other hand, to the bottom 10j-2 are each implemented according to the invention.
Die obigen Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 12 und 14 veranschaulichen somit eine mechanische Fixierung zweier oder mehrerer Bauelemente einer Schaltungsanordung mit optionaler DichtWirkung .The above embodiments according to FIGS. 12 and 14 thus illustrate a mechanical fixation of two or more components of a circuit arrangement with optional sealing effect.
Fig. 15 veranschaulicht die Verwendung der Erfindung für ein verbessertes Drahtbonden. In Fig. 15 oben ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein elektronisches Bauelement lOk-1 (z. B. Chip) über einen Bonddraht 10k-2 an der Oberseite eines "Zielpads" eines Substrats bzw. einer Leiterplatte 10k-3 kon- taktiert ist. Die Leiterplatte 10k-3 trägt (vermittels einer Leitkleberschicht) auch das elektronische Bauelement lOk-1.Fig. 15 illustrates the use of the invention for improved wire bonding. 15 shows a first exemplary embodiment in which an electronic component 10K-1 (eg chip) is connected via a bonding wire 10k-2 to the upper side of a "target pad" of a substrate or a printed circuit board 10k-3. is clocked. The printed circuit board 10k-3 also carries the electronic component 10k-1 (by means of a conductive adhesive layer).
Eine erste galvanische und mechanische Verbindung besteht zwischen dem Bauelement lOk-1 bzw. dessen Kontaktfläche 12k-l und dem in der Figur rechten Ende des Bonddrahts 10k-2. Zur Herstellung dieser Verbindung wurde zunächst die Kontaktfläche lOk-1 aufgeraut. So dann wurde der (in diesem Beispiel nicht zuvor aufgeraute) Bonddraht 10k-2 auf die aufgeraute Kontaktfläche 12k-l aufgepresst.A first galvanic and mechanical connection exists between the component 10K-1 or its contact surface 12k-1 and the right-hand end of the bonding wire 10k-2 in the figure. For the preparation of this compound, first the contact surface lOk-1 was roughened. Then, the bonding wire 10k-2 (not roughened in this example) was pressed onto the roughened contact surface 12k-1.
Eine zweite, in entsprechender Weise hergestellte Verbindung ist zwischen dem in der Figur linken Ende des Bonddrahts 10k- 2 und der Leiterplatte 10k-3 bzw. deren Kontaktfläche 12k-3 vorgesehen. Auch an dieser Stelle wurde vor dem Aufpressen des Bonddrahts 10k-2 die leiterplattenseitige KontaktflächeA second connection made in a corresponding manner is provided between the left-hand end of the bonding wire 10k-2 in the figure and the printed circuit board 10k-3 or its contact surface 12k-3. Also at this point was before the pressing of the bonding wire 10k-2, the circuit board-side contact surface
12k-3 aufgeraut. Die Situation unmittelbar vor dem Aufpressen der Bonddrahtenden ist im rechten Teil der Fig. 15 dargestellt.12k-3 roughened. The situation immediately before the press-fitting of the bonding wire ends is shown in the right-hand part of FIG. 15.
In Fig. 15 unten ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel einer verbesserten Bonddrahtverbindung (z. B. für "Ribbon bonding") dargestellt. Ein Bonddraht 101-2 ist an beiden Drahtenden galvanisch und mechanisch mit Kontaktflächen 121-3 bzw. 121-1 jeweiliger Schaltungsträger (z. B. DCB) 101-3 bzw. 101-1 verbunden. Die beiden Schaltungsträger sind an ihrenA modified embodiment of an improved bonding wire connection (eg for "ribbon bonding") is shown below in FIG. A bonding wire 101-2 is electrically and mechanically connected at both wire ends to contact surfaces 121-3 and 121-1 of respective circuit carriers (eg DCB) 101-3 and 101-1, respectively. The two circuit carriers are at their
Unterseiten mit einer gemeinsamen Basisplatte bzw. Wärmesenke 401 verbunden. Anders als bei dem Beispiel gemäß Fig. 15 wurde hierbei zur Herstellung der beiden Verbindungen jeweils nicht nur die jeweiligen substratseitigen Kontaktflächen 121- 3 bzw. 121-1 aufgeraut, sondern auch zusätzlich die als Kontaktflächen dienenden Endbereiche des Bonddrahts 101-2 (in Fig. 15 rechts unten veranschaulicht). Die Drahtbondausführung gemäß Fig. 15 besitzt für viele Anwendungen eine bessere Haltbarkeit als die üblicherweise lediglich unter Druck, Ultraschall und/oder temperaturerzeugten Drahtbondverbindung.Bottoms connected to a common base plate or heat sink 401. Unlike in the example according to FIG. 15, in this case not only the respective substrate-side contact surfaces 121-3 or 121-1 were roughened for producing the two connections, but also the end regions of the bonding wire 101-2 serving as contact surfaces (in FIG. 15 bottom right). The wire-bonder embodiment of FIG. 15 has better durability for many applications than that typically only under pressure, ultrasound, and / or heat-generated wire bonding.
Bei dem in Fig. 15 oben dargestellten Beispiel wurde lediglich die Kontaktfläche des Zielpads vor den Bonden aufgeraut und anschließen gegebenenfalls mit geeigneten Parametern un- ter Druck und Temperatur mit dem Bonddraht zusammengefügt. Demgegenüber wurde bei dem in Fig. 15 unten dargestellten Beispiel auch die Oberfläche des Bonddrahtes vor den Bonden aufgeraut und anschließend mit dem Zielpad zusammengefügt, gegebenenfalls wieder mit geeignet gewählten Parametern unter Druck und Temperatur.In the example shown in FIG. 15 above, only the contact surface of the target pad was roughened before the bonding and, if appropriate, subsequently joined together with suitable parameters under pressure and temperature with the bonding wire. In contrast, in the example shown in Fig. 15 below, the surface of the bonding wire was roughened before the bonding and then joined together with the Zielpad, optionally again with suitably selected parameters under pressure and temperature.
Die beiden Verfahrensvarianten können selbstverständlich in ein und derselben Schaltungsanordnung einzeln oder auch kombiniert Anwendung finden.The two variants of the method can, of course, be used in one and the same circuit arrangement individually or in combination.
Bei beiden Verfahrensvarianten erhöht sich durch das aufge- raute Zielpad die Oberfläche und die Kontaktpartner verbinden sich dadurch leichter miteinander. Der notwendige Energieeintrag wird reduziert und die Belastung der Fügepartner während des Fügens sinkt. Somit kann eine bessere Einbindung desIn both variants of the method, the surface roughened by the roughened target pad makes it easier for the contact partners to connect to one another. The necessary energy input is reduced and the load on the joining partners during joining decreases. Thus, a better involvement of the
Bonddrahtes erzielt werden, was weiterhin zu einer längeren Lebensdauer führt.Bonding wire can be achieved, which continues to lead to a longer life.
Für den Fall, dass beide Fügepartner vor dem Fügen aufgeraut werden, erhöht sich die Oberfläche weiter und die Kontaktpartner können zusätzlich verzahnen, was ein Verbinden weiter erleichtert. Der notwendige Energieeintrag wird reduziert und die Belastung der Fügepartner während des Fügens sinkt. Es kann ebenfalls eine bessere Einbindung des Bonddrahtes er- zielt werden, was die Lebensdauer der geschaffenen Verbindung erhöht . Zusammenfassend erreicht man durch aufgeraute Oberflächen eines oder beider Fügepartner eine Verbindung unter weniger E- nergieeintrag . Durch ein besseres Verzahnen der Partner kann die Lebensdauer der Verbindung gesteigert werden.In the event that both joining partners are roughened before joining, the surface increases further and the contact partners can additionally interlock, which further facilitates a connection. The necessary energy input is reduced and the load on the joining partners during joining decreases. It can also be achieved a better integration of the bonding wire, which increases the life of the connection created. In summary, roughened surfaces of one or both joining partners achieve a bond with less energy input. By better interlocking of the partners, the life of the connection can be increased.
Fig. 16 veranschaulicht einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, nämlich die Möglichkeit zur Vermeidung von nachteiligen Lunkern in Lötstellen.Fig. 16 illustrates another aspect of the present invention, namely the possibility of avoiding disadvantageous voids in solder joints.
Beim herkömmlichen Löten können durch ein Ausgasen einesIn conventional soldering can by outgassing of a
Flussmittels Gasblasen entstehen, die das Lot verdrängen und nachteilig große Lunker im erstarrten Lot zur Folge haben können. Dies ist im linken Teil der Fig. 16 veranschaulicht. Von oben nach unten ist in dieser Darstellung ein herkömmli- eher Lötprozess dargestellt, bei welchem ein Bauelement 50m mit einer Kontaktfläche 52m auf einem Schaltungsträger 54m aufgelötet wird. Hierzu wird der Schaltungsträger 54m zunächst mit einer Lotschicht 56m versehen und sodann das Bauelement 50m unter Temperatureinwirkung auf die Lotschicht 56m aufgedrückt.Fluxes gas bubbles arise that displace the solder and can disadvantageously large voids in the solidified solder result. This is illustrated in the left part of FIG. 16. From top to bottom in this illustration, a conventional soldering process is shown, in which a component 50m is soldered to a contact surface 52m on a circuit carrier 54m. For this purpose, the circuit carrier 54m is first provided with a solder layer 56m and then the component 50m is pressed onto the solder layer 56m under the influence of temperature.
Wie es in Fig. 16 links ganz unten dargestellt ist, bildet sich hierbei ein relativ großer Lunker 58m, der nachteiligerweise als eine thermische Isolierung wirkt und dadurch z. B. die Überhitzung des Bauelements 50m im Betrieb zur Folge haben kann.As shown in Fig. 16 left bottom, this forms a relatively large voids 58m, which disadvantageously acts as a thermal insulation and thereby z. B. may cause the overheating of the device 50m in operation.
Demgegenüber zeigt der rechte Teil von Fig. 16 einen verbesserten Lötprozess, bei welchem ein Bauelement lOn-1 mit einem weiteren Bauelement (z. B. Leiterplatte) 10n-2 verlötet wird.On the other hand, the right part of Fig. 16 shows an improved soldering process in which a device 10n-1 is soldered to another device (eg, printed circuit board) 10n-2.
In diesem Beispiel werden, wie in Fig. 16 rechts ganz oben dargestellt, zunächst die beiden Kontaktflächen 12n-l und 12n-2 der beiden Fügepartner lOn-1 und 10n-2 aufgeraut. So- dann wird eine Lotschicht 56n an der Kontaktfläche 12n-2 aufgebracht. Schließlich werden die Bauelemente lOn-1 und 10n-2 zusammengefügt und bevorzugt unter Temperatureinwirkung ver- lötet. Die Ausbildung eines oder mehrerer großer Lunker in der Lotschicht 56n wird hierbei vorteilhaft vermieden.In this example, as shown at the top right in FIG. 16, first the two contact surfaces 12n-1 and 12n-2 of the two joining partners 10n-1 and 10n-2 are roughened. Then, a solder layer 56n is applied to the contact surface 12n-2. Finally, the components lOn-1 and 10n-2 are joined together and preferably used under the influence of temperature. solders. The formation of one or more large voids in the solder layer 56n is advantageously avoided.
Wesentlich hierfür ist die Aufrauung wenigstens einer der zu fügenden Kontaktflächen 12n-l und 12n-2. Dadurch bilden sich Kanäle, wodurch die sich bildenden Gase sich nach außen verflüchtigen können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch erhöhte Adhäsionskräfte zwischen dem Lot 56n und dem aufgerauten Material 12n-l bzw. 12n-2 die entstehenden Gase nicht mehr in der Lage sind, das Lot 56n von einer Stelle vollständig zu verdrängen. Dadurch entstehen anstatt eines großen Lunkers allenfalls viele kleine Lunker, die jedoch thermisch gesehen viel unbedenklicher sind als ein großer Lunker .Essential for this is the roughening of at least one of the contact surfaces 12n-l and 12n-2 to be joined. As a result, channels form, whereby the forming gases can volatilize to the outside. Another advantage is that due to increased adhesion forces between the solder 56n and the roughened material 12n-l or 12n-2, the resulting gases are no longer able to completely displace the solder 56n from one location. As a result, instead of a large voids at best, many small voids, which are thermally much safer than a large blowhole.
Durch das Aufrauen wenigstens einer Kontaktfläche können somit große Lunker vermieden werden. Dadurch wird vorteilhaft die Bildung von "Hot Spots" und thermischen Überbelastungen, die einen Lunker als Ursache haben, vermindert oder sogar komplett beseitigt. Somit wird die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der betreffenden Lötstelle erhöht.By roughening at least one contact surface thus large voids can be avoided. As a result, the formation of "hot spots" and thermal overloads, which have a voids as the cause, reduced or even completely eliminated advantageous. Thus, the reliability and life of the solder joint in question is increased.
Fig. 17 veranschaulicht einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, für den die Anmelderin sich auch unabhängigen Schutz vorbehält. Dieser Aspekt betrifft die Erhöhung der Erwärmungeffizienz bei einem Kühlkörper (einschließlich Wärmesenke) einer Schaltungsanordnung, unabhängig davon ob der betreffende Kühlkörper in der oben beschriebenen Weise (Aufrauung wenigstens einer Kontaktfläche) mit einem anderen Bau- teil der Schaltungsanordnung verbunden ist oder nicht.Figure 17 illustrates another aspect of the present invention for which the applicant also reserves independent protection. This aspect relates to increasing the heating efficiency of a heat sink (including heat sink) of a circuit arrangement, regardless of whether the relevant heat sink in the manner described above (roughening at least one contact surface) is connected to another component of the circuit arrangement or not.
In Fig. 17 links ist die Wärmeabgabe bei einem herkömmlichen Kühlkörper 6Oo veranschaulicht (die Pfeile in der Figur symbolisieren die Abgabe von Wärme an die Umgebung) .The heat emission in a conventional heat sink 6Oo is illustrated on the left in FIG. 17 (the arrows in the figure symbolize the release of heat to the environment).
Die Verwendung des Kühlkörpers 6Oo dient z. B. dazu, die bei einem mit Energie versorgten Gerät entstehende Verlustwärme abzuführen. Die Menge an Wärme, die hierbei an die Umgebung abgegeben werden kann, hängt stark von der Größe der durch den Kühlkörper 6Oo bereitgestellten Oberfläche ab. Bisher wurde zur Vergrößerung der Oberfläche eines zu kühlenden e- lektronischen Bauelements oder eines zu kühlenden Schaltungsträgers zumeist ein Kühlkörper der in Fig. 17 symbolisierten Art an die zu kühlende Fläche angebracht. Dies geschah unter anderem mittels Kleber oder Schrauben. Da aber die zu kühlende Oberfläche und der Kühlkörper nicht aus einem Stück sind, wird der Wärmetransport von der Oberfläche in den Kühlkörper behindert, zum Beispiel durch Luftspalte zwischen den beiden Teilen oder durch eine Zwischenschicht wie z. B. Kleberschicht .The use of the heat sink 6Oo serves z. For example, the resulting in a powered device heat loss dissipate. The amount of heat that can be released to the environment depends greatly on the size of the surface provided by the heat sink 6Oo. Up to now, to increase the surface area of an electronic component to be cooled or a circuit carrier to be cooled, a heat sink of the type symbolized in FIG. 17 has usually been attached to the surface to be cooled. This happened among other things by means of glue or screws. However, since the surface to be cooled and the heat sink are not in one piece, the heat transfer from the surface is hindered in the heat sink, for example by air gaps between the two parts or by an intermediate layer such. B. adhesive layer.
In Fig. 17 rechts ist veranschaulicht, wie durch das Aufrauen einer Oberfläche eines Kühlkörpers 1Oo dessen zur Abgabe von Wärme bereitgestellte Oberfläche vergrößert werden kann. Das Aufrauen der Oberfläche kann z. B. mittels einer Ionenstrahl- technik erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kommen mechani- sehe Bearbeitungsschritte in Betracht, um die gewünschte Auf- rauung zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aufrauung im Mikrostrukturbereich vorgesehen ist, also mit vergleichsweise kleinen resultierenden Strukturelementen an der betreffenden Oberfläche.In Fig. 17 right is illustrated how can be increased by the roughening of a surface of a heat sink 1Oo its provided for the release of heat surface. The roughening of the surface can z. B. by means of ion beam technology. Alternatively or additionally, mechanical processing steps are considered in order to produce the desired roughness. In one embodiment, it is provided that the roughening is provided in the microstructure region, ie with comparatively small resulting structural elements on the relevant surface.
Mit dem Kühlkörper 1Oo hat man bei gleichen Abmessungen eine im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlkörper (60o) eine viel größere Oberfläche, um Wärme von dem Material des Kühlkörpers (z. B. Metall) an die Umgebung abzugeben.With the heat sink 10Oo, with the same dimensions, compared to a conventional heat sink (60o), one has a much larger surface area to release heat from the material of the heat sink (eg metal) to the environment.
In einer Weiterbildung dieses Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass der Kühlkörper einen Abschnitt eines Gehäuses eines elektronischen Bauelements im engeren Sinne bildet oder der Kühlkörper einen Abschnitt eines Schaltungsträgers (z. B. Leiterplatte oder dergleichen) bildet. Durch das Aufrauen wenigstens eines Bereiches der Oberfläche des Kühlkörpers entsteht wie bei einem "herkömmlichen separaten Kühlkörper" eine größere zur Wärmeabgabe zur Verfügung stehende Oberfläche. Der Vorteil dieser Weiterbildung gegenüber herkömmlichen Kühlkörpern besteht darin, dass bei dieser Technik "Kühlrippen" und das darunterliegende Material aus einem Stück beste- hen. Dadurch sind z. B. keine Luftspalte vorhanden, die den thermischen Transport behindern. Außerdem werden keine Befestigungsmittel bzw. -materialien (z. B. Schrauben, Kleber etc.) benötigt, um den Kühlkörper zu befestigen, da alles aus einem Stück besteht. Des Weiteren entfällt das "Handling", da die "Kühlrippen" direkt auf dem Material der betreffenden O- berflache durch die Aufrauung ausgebildet werden.In a development of this aspect of the invention, provision is made for the heat sink to form a section of a housing of an electronic component in the strict sense, or for the heat sink to form a section of a circuit carrier (eg printed circuit board or the like). By roughening at least one area of the surface of the heat sink, a "conventional separate heat sink" is formed larger surface available for heat dissipation. The advantage of this development over conventional heat sinks is that in this technique "cooling fins" and the underlying material consist of one piece. As a result z. B. no air gaps present that hinder the thermal transport. Also, no fasteners or materials (eg, screws, glue, etc.) are needed to secure the heat sink, since everything is one piece. Furthermore, the "handling" is eliminated, since the "cooling fins" are formed directly on the material of the respective surface by the roughening.
Ein mögliches Anwendungsbeispiel ist, die Oberfläche eines MikroControllers aufzurauen. In Kombination mit einem Lüfter kann damit die Temperatur des MikroControllers im Betrieb beträchtlich abgesenkt werden.One possible application example is roughening the surface of a microcontroller. In combination with a fan, the temperature of the microcontroller can be considerably lowered during operation.
Ein weiters Anwendungsbeispiel ist, die Innen- und/oder Außenflächen eines Kühlers im Auto so zu behandeln. Dadurch wä- re es möglich, im Wasserkreislauf die Temperatur schneller an den Kühler abzugeben. Der Kühler jedoch kann die Temperatur durch den Fahrtwind und die raue Oberfläche schneller an die Umgebung abgeben.Another application is to treat the inside and / or outside surfaces of a radiator in the car. This would make it possible to deliver the temperature to the cooler faster in the water cycle. The radiator, however, can deliver the temperature to the environment faster through the wind and rough surface.
In einer anderen Weiterbildung, die alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Aufrauung einer Kühloberfläche vorgesehen sein kann, erfolgt die Anbindung des Kühlkörpers an ein anderes Bauelement derselben Schaltungsanordnung mittels der weiter oben bereits beschriebenen Technik des Aufrauens und Pressfügens (vgl. z. B. die Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 1 bis 16) .In another development, which can be provided as an alternative or in addition to the above-described roughening of a cooling surface, the connection of the heat sink to another component of the same circuit arrangement by means of the already described above technique of roughening and press joining (see, for Embodiments according to FIGS. 1 to 16).
Letztere Weiterbildung als solche, also ein spezielles Verfahren zur galvanischen und/oder mechanischen Verbindung ei- nes Kühlkörpers (einschließlich Wärmesenke) mit einem anderen Bauelement wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf Fig. 18 und 19 nochmals erläutert. Fig. 18 veranschaulicht eine Zusammenfügung eines Kühlkörpers lOp-1 und eines weiteren Bauelements 10p-2, bei welchem es sich z. B. um einen Schaltungsträger (z. B. Leiterplatte, Schaltungsträgersubstrat etc.) handeln kann. Alternativ könnte das Bauelement 10p-2 auch von einem Substrat oder einem Gehäuse eines Bauelements im engeren Sinne, also z. B. eines elektronischen Bausteins (Transistor, Chip etc.) gebildet sein. In Fig. 18 unten ist der nach dem Zusammenfügen der Bauelemente lOp-1 und 10p-2 entstandene Verbund dargestellt. Bei dieser Verbindungsmethode können alle Besonderheiten und Weiterbildungen vorgesehen sein, die bereits bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert wurden.The latter development as such, that is to say a special method for the galvanic and / or mechanical connection of a heat sink (including heat sink) to another component will be explained again below with reference to exemplary embodiments with reference to FIGS. 18 and 19. Fig. 18 illustrates an assembly of a heat sink IOp-1 and another device 10P-2, in which it is z. B. can be a circuit carrier (eg., Printed circuit board, circuit substrate, etc.). Alternatively, the device could also 10p-2 of a substrate or a housing of a device in the strict sense, ie z. B. an electronic module (transistor, chip, etc.) may be formed. FIG. 18 below shows the composite formed after assembly of the components 10P-1 and 10P-2. In this connection method, all special features and developments can be provided, which have already been explained in the embodiments described above.
Mit den in Fig. 18 dargestellten Verfahren zur mechanischen Fixierung des Kühlkörpers lOp-1 an einem Substrat oder Bauelement 10p-2 ist es möglich, eine direkte Anbindung ohne Luftspalt bei gleichzeitiger Fixierung zu erreichen. Wie für einige der oben bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es auch für diesen Anwendungsfall oftmals vorteilhaft, wenn die beiden zu fügenden Kontaktflächen 12p-l und 12p-2 durch ein technisches Verfahren im Mikrostrukturbereich auf- geraut werden. Bevorzugt werden die Fügepartner dann unter Temperatur und Druck miteinander verpresst.With the method illustrated in FIG. 18 for the mechanical fixing of the heat sink 10P-1 on a substrate or component 10p-2, it is possible to achieve a direct connection without an air gap with simultaneous fixation. As for some of the embodiments already described above, it is often advantageous for this application, too, if the two contact surfaces 12p-1 and 12p-2 to be joined are roughened by a technical method in the area of microstructures. Preferably, the joining partners are then pressed together under temperature and pressure.
Durch dieses Verfahren entsteht eine mechanisch stabile, gegebenenfalls gasdichte und unlösbare Verbindung. Diese realisiert einen sehr guten Wärmeübergang zwischen den beteiligten Bauelementen lOp-1 und 10p-2. Eine zusätzliche mechanische Fixierung herkömmlicher Art, z. B. durch Schrauben etc. kann vorteilhaft entfallen. Es ergibt sich zusammenfassend eine einfach zu realisierende, insbesondere automatisierbare mechanische Fixierung von Kühlkörpern und Wärmesenken mit verbesserter Wärmeleitung.By this method, a mechanically stable, possibly gas-tight and insoluble compound. This realizes a very good heat transfer between the participating components lOp-1 and 10p-2. An additional mechanical fixation of conventional type, for. B. by screws, etc. can be advantageously eliminated. In summary, this results in an easy-to-implement, in particular automatable mechanical fixation of heat sinks and heat sinks with improved heat conduction.
Fig. 19 veranschaulicht schließlich noch zwei speziellere Anwendungsbeispiele der vorstehend erläuterten Ausführung. In Fig. 19 oben ist die thermische und mechanische Anbindung eines Kühlkörpers lOq-1 an der Unterseite einer herkömmlichen Leiterplatte 10q-2 gezeigt. Auf der dem Kühlkörper lOq-1 ent- gegengesetzten Flachseite der Leiterplatte 10q-2 sind elektronische Bauelemente der Schaltungsanordnung in an sich bekannter Weise kontaktiert.Finally, Fig. 19 illustrates two more specific application examples of the embodiment explained above. In Fig. 19 above, the thermal and mechanical connection of a heat sink 10q-1 at the bottom of a conventional circuit board 10q-2 is shown. On the heat sink lOq-1 opposite flat side of the circuit board 10q-2 electronic components of the circuit arrangement are contacted in a conventional manner.
In Fig. 19 unten ist eine Ausführung dargestellt, bei welcher ein Kühlkörper lOr-1 auf die Oberseite eines Gehäuses eines herkömmlichen elektronischen Bauelements 10r-2 aufgesetzt und verpresst ist.In Fig. 19 below, an embodiment is shown in which a heat sink lOr-1 is placed on the top of a housing of a conventional electronic component 10r-2 and pressed.
Für alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ergän- zend anzumerken, dass ein Aneinanderfügen von zwei Kontaktflächen, von denen wenigsten eine aufgeraut ist, direkt oder indirekt (z. B. unter Zwischenfügung von Lot, Kleber (insbesondere elektrisch und/oder thermisch leitfähig), etc.) erfolgen kann. For all the exemplary embodiments described above, it should additionally be noted that joining two contact surfaces, of which at least one is roughened, directly or indirectly (eg with the interposition of solder, adhesive (in particular electrically and / or thermally conductive), etc .).

Claims

Patentansprüche claims
1. Schaltungsanordnung mit zumindest zwei Bauelementen (10), die jeweils eine Kontaktfläche (12) aufweisen,1. Circuit arrangement with at least two components (10), each having a contact surface (12),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,characterized,
dass zumindest eine der Kontaktflächen (12) aufgeraut ist und die Bauelemente (10) durch eine Pressverbindung der Kontaktflächen (12) galvanisch und/oder mechanisch verbunden sind.in that at least one of the contact surfaces (12) is roughened and the components (10) are galvanically and / or mechanically connected by a press connection of the contact surfaces (12).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der beiden Bauelemente (10) ein Schaltungsträger ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, wherein at least one of the two components (10) is a circuit carrier.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden Bauelemente (10) ein QFN-Bauelement, ein SMD-Bauelement oder ein unge- häuster Chip ist.3. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein at least one of the two components (10) is a QFN component, an SMD component or an unhoused chip.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der beiden Kontaktflächen (12) eine an sich für eine Verlötung vorgesehene Bauelementfläche ist.4. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein at least one of the two contact surfaces (12) is a per se provided for soldering device surface.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der beiden Kontaktflächen (12) an einem Anschlussdraht des betreffenden Bauelements (10) ausgebildet ist oder das betreffende Bauelement (10) als solches ein Anschlussdraht ist.5. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein at least one of the two contact surfaces (12) on a connecting wire of the relevant component (10) is formed or the relevant component (10) as such is a connecting wire.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der beiden Bauelemente (10) ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil der Schaltungsanordnung (16) ist.6. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein at least one of the two components (10) is a housing or a housing part of the circuit arrangement (16).
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- che, wobei zumindest eines der beiden Bauteile (10) ein Kühlkörper ist.7. Circuit arrangement according to one of the preceding claims che, wherein at least one of the two components (10) is a heat sink.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- che, wobei die beiden Kontaktflächen (12) durch direktes8. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the two contact surfaces (12) by direct
Aneinanderfügen miteinander verbunden sind.Joining joined together.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die beiden Kontaktflächen (12) unter Zwischenfügung eines Hilfsstoffes aneinandergefügt sind.9. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 7, wherein the two contact surfaces (12) are joined together with the interposition of an excipient.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der beiden Kontaktflächen (12) eine Metallfläche ist.10. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein at least one of the two contact surfaces (12) is a metal surface.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufrauung im Mikrostrukturbereich vorgesehen ist.11. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the roughening is provided in the microstructure region.
12. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung (16) mit zumindest zwei Bauelementen (10) , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verfahrensschritte:12. A method for producing a circuit arrangement (16) with at least two components (10), the method steps are:
a) Bereitstellen mindestens zweier Bauelemente (10) mit mindestens jeweils einer Kontaktfläche (12);a) providing at least two components (10) with at least one contact surface (12);
b) Aufrauen mindestens einer der beiden Kontaktflächenb) roughening at least one of the two contact surfaces
(12);(12);
c) Aufeinanderpressen der Kontaktflächen (12) zur mechanischen und/oder elektrischen Fixierung der beiden Bauelemente (10).c) pressing together of the contact surfaces (12) for the mechanical and / or electrical fixing of the two components (10).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aufeinanderpressen bei einer erhöhten Temperatur erfolgt.13. The method of claim 12, wherein the pressing together takes place at an elevated temperature.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die beiden Kon- taktflächen (12) durch eine direkte Aneinanderfügung miteinander verbunden werden.14. The method of claim 12 or 13, wherein the two Kon- contact surfaces (12) are connected by a direct joining together.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die beiden Kontaktflächen (12) unter Zwischenfügung eines15. The method according to any one of claims 12 to 14, wherein the two contact surfaces (12) with the interposition of a
Hilfsstoffes aneinandergefügt werden.Adjuvant are joined together.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Aufrauen im Mikrostrukturbereich erfolgt.16. The method according to any one of claims 12 to 15, wherein the roughening takes place in the microstructure area.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Aufrauen eine mechanische Bearbeitung der betreffenden Kontaktfläche (12) umfasst.17. The method according to any one of claims 12 to 16, wherein the roughening comprises a mechanical processing of the respective contact surface (12).
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das Aufrauen den Einsatz einer Ionenstrahltechnik umfasst. 18. The method according to any one of claims 12 to 17, wherein the roughening comprises the use of an ion beam technique.
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