WO2015150311A1 - Verfahren zum montieren eines elektrischen bauelements, bei der eine haube zum einsatz kommt, und zur anwendung in diesem verfahren geeignete haube - Google Patents

Verfahren zum montieren eines elektrischen bauelements, bei der eine haube zum einsatz kommt, und zur anwendung in diesem verfahren geeignete haube Download PDF

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Jörg Strogies
Klaus Wilke
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    • H01L2924/164—Material
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    • H01L2924/161—Cap
    • H01L2924/166—Material
    • H01L2924/1679—Material with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy

Definitions

  • the invention relates to a method for mounting an electrical component on a substrate, wherein the component has a bottom side facing the substrate and a top side opposite thereto.
  • the bottom of the device is mechanically connected to the assembly available through the substrate.
  • the upper side of the component is then mechanically connected to a contacting structure.
  • the joint connections that arise during joining lie in at least two different levels.
  • the invention relates to a hood for an electrical assembly, wherein the assembly comprises a substrate and at least one mounted on this component.
  • the hood has a support surface with which it can be placed on the substrate.
  • the hood has a cavity in which the component can be accommodated.
  • the device has contacts both at its top and at its bottom, with which it is mounted on the substrate. These contacts are thus at different levels.
  • the levels of friction are defined by the contacts of electronic components being mounted on a substrate and contacting in different planes, the term level being meant here in the technical rather than the mathematical sense.
  • a plane or also the associated level of levelness defines areas in which certain electrical or other mechanical connections of the components to be contacted are located. Due to the arrangement of components one above the other, the levels are preferably Fügelevel also one above the other, in particular in parallel alignment with each other.
  • a power module can be formed, in which the electronic hobauele- elements can be connected via a sintered layer to the substrate.
  • the substrate may be DCB ceramic substrates commonly used in power electronics (DCB stands for Direct Copper Bond).
  • DCB Direct Copper Bond
  • the tops of the power components can be connected with a sintered layer, for example, to an additional heat capacity, which provides a heat sink available.
  • the substrate can be connected with its underside via a sintered layer with another heat sink.
  • the sintered connections of electronic assemblies can be manufactured with the aid of special tools. These tools have pressure surfaces which contact the components to be sintered, so that a pressure can be exerted on them during the sintering treatment.
  • Tolerance compensation in the tool can ensure that the applied pressure is uniform even when the assembly to be sintered has tolerances due to manufacturing inaccuracies.
  • the sintering treatment in addition to the pressure build-up, reaching a certain sintering temperature over a defined period of time is required. Instead of sintered connections can also be used.
  • a contacting of these components with the substrate usually has to take place via suitable contacting structures.
  • contacts lying on the upper side of the component are connected to corresponding contacts on the substrate.
  • metallic lead structures can be used, which may for example be part of a lead frame.
  • the appropriately bent lead structures are preferably connected by sintering or soldering with the respective contact surfaces.
  • Another possibility is to provide the contacting structures by means of flex films on which the conductive structure is for example printed.
  • the flex foils can also be connected by means of sintered connections to the relevant contact surfaces of the upper side of the component and to the mounting side of the substrate.
  • the assembly of power electronic assemblies means Sintered connections in comparison, for example, for soldering at the time a certain overhead in the production.
  • the object of the invention is to provide a method for mounting an electrical component on a substrate, wherein this is simplified and also allows the assembly of power electronic components. Furthermore, the object is to provide a hood of the type specified, which can be used in this improved method.
  • the contacting structure is integrated in the form of guide paths in a hood.
  • This hood is made of a thermally softenable or thermally curable material.
  • the hood is first placed on the mounting side of the substrate.
  • the hood spans the component (or several components).
  • the contact surfaces of the contacting structure with the substrate lie within a first level of furring, which is provided by the mounting side of the substrate. With these contact surfaces, the substrate is electrically connected.
  • On the inside of the hood there are further contact surfaces of the Kunststofftechniksstruk- tur, which reach within a second Fügelevels at the level of the top of the device with there located contacts of the device in engagement.
  • the contacting structure creates an electrical connection between the contact surfaces on the substrate and the contact surfaces on the upper side of the component, wherein the two Fügelevel be bridged.
  • the material of the hood during assembly at least in the softening region (in the case of the existence of the hood of a thermally softenable material) or in the curing area (in the case of the existence of the hood of a thermally curable material) is heated.
  • the softening area or the curing area is characterized by a temperature range in which the softening takes place in the dimensions permissible for the assembly process or the hardening of the material.
  • the substrate, the component and the hood with the contacting structure are first placed in relation to each other in the configuration to be produced. Only then should the joining compounds, in particular electrical connections, be completed on the component within the at least two levels in one and the same operation by increasing the temperature or increasing the temperature and pressure.
  • the method for mounting the electronic module on the substrate is to take place in two defined process sections. In the first process section, all components to be assembled of the assembly provided by the substrate are placed relative to one another. This also leads to the formation of the joint connections, which are not yet completed. In the second production phase, the joints are completed.
  • a suitable joining method is necessary, depending on the type of mechanical connections to be made a temperature increase (for example, during soldering) or a temperature and pressure increase (for example, in diffusion soldering or sintering) is required. It is advantageously provided that these joint connections are produced in one operation. you can. For this purpose, it is necessary to design all joints to be produced on the process parameters set in this single operation. Here, a certain temperature level is reached. In addition, at least a portion of the compounds additionally pressure can be exercised.
  • the particular type of connection and possibly necessary additional material do not necessarily have to be exactly the same for all joint connections. All that is essential is that the process parameters for all types of connection and materials are matched to one another and in this way the simultaneous formation of all joints in a single operation is possible.
  • the bottom of the device is within a first Fügelevels, which is provided by a mounting side of the substrate and the top of the device is within a second Fügelevels.
  • the first level of skimming is defined by the plane that is usually provided by the substrate.
  • This level (which in the case of non-flat substrates, such as housings, for example, does not necessarily have to be flat in the mathematical sense) lies the group of electrical connections with which the underside of the electrical components on the substrate is contacted in each case.
  • the top of the components then defines, if they have electrical contact surfaces, a second Fügelevel, by the spatial height extent of the electrical components of the first Fügelevel
  • the second level Fügel is not in a plane, the sum of all contact surfaces on the respective top of components this Fü- level defined.
  • each level of the stack results in further levels of conduction, which possibly have to be bridged by appropriate contact structures during electrical connection.
  • the arrangement of the electrical components such that their contacts can be assigned in each case to different pad levels advantageously facilitates the assembly of the electrical module, in which the components and contact structures can be preassembled level by level (ie, can be placed relative to one another), in order subsequently to connect the modules preferably to produce electrical connections in all levels Fügeleveln in one operation.
  • the softening or curing of the hood and the completion of the joints in one and the same operation is carried out under the same conditions.
  • the temperature range of the softening area or hardening area at least overlaps with the temperature range for the completion of the joining connections. In this case, a temperature can be found for the assembly, at the same time the completion of the joints and the hardening or softening of
  • Hood can take place.
  • the hardening or softening of the hood and the completion of the joint connections can also be carried out successively in the same operation.
  • the material of the hood of a plastic deformation must oppose a sufficient resistance, so that possibly at the completion of the joint connection, a pressure can be built up, which may be required in the case of the production of sintered connections or Diffusionslöteducationen to the electrical contacts.
  • This pressure can be built up by simultaneously contributing, during plastic deformation, a proportion of elastic deformation in the mold Material of the hood is created.
  • Silver sintered paste e.g., Heraeus mAgic Paste, Microbond ASP series
  • Material system SnCu, SnAg, SnNi and other material systems that can form refractory intermetallic phases may be used, such as
  • Single ply systems with refractory particles e.g., Cu
  • refractory particles e.g., Cu
  • low melting alloys such as SnCu
  • the low melting filler e.g., refractory Cu followed by SnCu alloy
  • Prepreg material eg Isola Duraver-E-Cu quality 104 ML
  • Thermally softenable hood material eg Isola Duraver-E-Cu quality 104 ML
  • thermoplastic materials such as thermoplastic materials
  • PET Polyethylene terephthalate
  • PEEK Polyetheretherketones
  • PPA polyphthalamides
  • the substrate with its side facing away from the mounting side provides a contact surface
  • a third level is provided.
  • a component is placed.
  • a connection between the component and the substrate in exactly the operation by a temperature increase or a temperature and pressure increase completed, in which the joints on the electrical component in the first Fuellevel and the second Fügelevel (and possibly further Fill levels).
  • the component which is mounted on the back of the substrate, may be, for example, a heat sink, which is used in power electronic assemblies to dissipate the heat loss.
  • This heat sink can also be designed as a base body, wherein this is available for common assembly of several electronic assemblies available.
  • Another possibility is to equip the substrate with electrical components on both sides. In this case, cooling could take place, for example, through cooling channels in the substrate.
  • all joint connections are completed with one and the same joining method.
  • the condition must be fulfilled that the various selected joining methods can be carried out under the given process conditions (pressure, temperature).
  • the temperature must be the same over the entire electrical assembly to be mounted.
  • the pressure can vary, for example, by using a plurality of joining tools or a joining tool is provided, in which, for example, by Spring mechanisms with different spring stiffness different manufacturing pressures are applied to different components of the mating Auf from. Even in the event that all joint connections are completed with one and the same joining method, these conditions apply.
  • the same filler material can also be selected, so that the production conditions for the joining method are uniform for the entire assembly. But it is also possible to select different filler materials, as far as they can be completed in the manner explained above under the predetermined joining conditions.
  • the explained advantages can also be extended to the joining of the connection between the component and the substrate, which can be completed in one operation together with the joining connections on the mounting side of the substrate.
  • the connections on the back side of the substrate can also be electrical connections if the component which is mounted there is an electrical component.
  • Yet another embodiment of the invention provides that a diffusion soldering or sintering is used as the joining method.
  • Diffusion soldering has a process related to sintering.
  • An additional material is introduced into the area between the components to be joined, whereby the latter, under the influence of temperature and optionally elevated pressure, leads to a diffusion of low-melting and high-melting contributes to the alloying components.
  • These local changes in concentration occur in the joining zone and at their interfaces to the adjacent components for generating high-melting intermetallic phases, which have a high temperature stability.
  • the resulting compound has very high electrical and thermal conductivities as well as high mechanical strengths.
  • a filler material is applied to the substrate and / or the component and / or the contacting structure in the hood and / or the component before placing it in the configuration to be produced.
  • these filler materials can facilitate joining, for example, sintering or diffusion soldering.
  • the connection components responsible for the sintering processes or diffusion processes can also be contained in the contact surfaces for the compound to be formed. In classical soldering, however, a filler material is always required as filler material.
  • a flat surface allows the simple placement of a joining tool, with which the pressure on the assembly to be mounted can be exercised. Incidentally, this tool can also provide the required process heat when it is heated. The transfer of process heat to the components to be joined, in particular the hood, is also improved if a flat surface is available, which extends in particular over the entire surface extent of the hood. Another advantage is that the joining tool does not have to be geometrically adapted to the hood.
  • the joining tool can be equipped as standard with a flat surface for applying pressure, with basically hoods of different application cases, thus, for example, with different size or with different structuring of the inside, can be mounted with one and the same joining tool.
  • a prepreg is used as the hardenable material. These materials can be obtained as semi-finished products and in this way make hoods of different structure without great manufacturing effort.
  • prepreg composite materials of fibers and a matrix of not completely cured, preferably thermosetting, resin understood. However, the resin may be partially cured to improve the mechanical stability and processing characteristics of the prepreg. Final curing then takes place, as already explained, during the assembly of the hood.
  • hood prepregs from Isola Duraver-E-Cu, for example, can be used. These are then cut to size and layered to form a layered three-dimensional structure.
  • the contacting structure can likewise be formed from layer material, for example metal foils, or else a leadframe. These metallic structures are then integrated into the layer composite and embedded in the latter by the hardening of the hood material.
  • phase change material also called phase change material
  • phase change materials are materials whose latent heat of fusion, solution heat or heat of absorption is greater than the heat that can store these materials due to their specific heat capacity, ie without phase change effect. With regard to their phase change behavior, these materials are selected such that this phase change is achieved in the planned operation of the electronic module, at least in certain operating states. In this way, it is possible to ensure be made that the hood, for example, provides a cooling reserve available in the overload operation of power electronic components by a phase change of the phase change material is forced by the heating.
  • phase change material can therefore not form the hood alone, but must be incorporated into another material of the hood. For example, this could take the form of a pad filled with the phase change material, this being embedded in the remaining material of the hood.
  • the phase change material can be used during assembly due to a presence in the liquid phase as tolerance compensation and can be plastically deformed in this state. Therefore, the assembly process can benefit from the use of the phase change material, even if their properties are mainly important for the later operation of the assembly.
  • the invention is further achieved with the hood mentioned above according to the invention in that a contacting structure is integrated in the form of guide paths in a hood.
  • the hood itself consists of a thermally softenable or thermally curable material.
  • the contacting structure on the inside of the hood has contact surfaces which serve for electrical connection to the substrate and to the component.
  • the contacting structure extends on the inside of the hood, wherein this extends such that the contact surfaces are arranged at different levels, which define the Fügelevel in the subsequent assembly. As already explained, one of these levels is provided by the surface of the substrate.
  • the hood is designed in sandwich construction.
  • both the thermally softenable or thermally curable material and the contacting structure form layers in the sandwich. These layers may, as already explained, consist of a thermoplastic film or a thermosetting prepreg, while the contacting structure may be formed for example by a metal foil or a leadframe.
  • the semi-finished products are thus essentially two-dimensional and can be tailored to make the hood in a suitable manner. By stacking the individual layers creates the three-dimensional structure of the hood.
  • an additional material is applied to the contact surfaces of the contacting structure in the hood.
  • this may be a high-temperature solder, a diffusion solder or a sintered material. These filler materials then become weaker
  • Assembly of the hood on the module for forming the joint connections available. Joining can be done in the manner already explained above. It is also advantageous if the support surface is formed by an edge of the hood. The hood is then placed with its edge on the substrate. If the edge is circumferential, when the cap is placed on the substrate, a closed cavity is produced which advantageously protects the assembly against dirt and other environmental influences. Incidentally, the contact surfaces or the contact surfaces provided with the additional material can also be provided on the edge of the hood since this can be used to contact the contacting structure with the substrate.
  • the outside of the hood is flat. This brings the already explained Parts of a simplified assembly with it, since the joining tool can have a flat and therefore simple geometry and can also be used for different hood geometries (with a flat outer side) use. It is of course advantageous if the outside of the hood is formed parallel to the support surface, since the substrate, if this is mounted in a horizontal position, can also be mounted by horizontal application of the joining tools.
  • Suitable materials for the electrical component are silicon, silicon carbide, gallium arsenide or gallium nitride. These materials are preferably used for power electronic devices.
  • the substrate may be made of a ceramic, for example. This can be coated with copper, silver or gold, wherein the coating can be structured to form electrical contact surfaces and conductor tracks.
  • high-temperature solders such as antimony-containing alloys or conventional high-lead solders, diffusion solders of the Sn-Cu, Sn-Cu-Ni, Sn-Cu-Ag, and preferably silver-containing sintering pastes or sintered foils can be used as filler materials. Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and will only be explained several times as far as there are differences between the individual figures. Show it:
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • Method, Figures 2 and 3 further process steps of this embodiment of the method according to the invention as a side view, partially cut and
  • Figure 4 shows an assembly, fully assembled, with a
  • Hood according to another embodiment of the method according to the invention in cross section.
  • FIG. 1 shows a hood 11, which according to FIG. 3 can be placed on a substrate 13 equipped with an electrical component 12.
  • the hood consists of several layers that together form a sandwich structure.
  • the contacting structure is thus integrated into the material of the hood.
  • an additional material in the form of a diffusion solder is provided in this example.
  • the hood has an inner side 18 and an outer side 19, wherein the outer side 19 is made flat so that a joining tool 20a with a flat pressure surface can be placed on the outer side 19 of the hood 11 (see FIG.
  • FIG. 2 shows the substrate 13, which has a mounting side 23 and a rear side 24. This is a non-illustrated DCB ceramic substrate, wherein the copper layers are not shown in detail.
  • the copper layer, not shown, on the mounting side 23 is structured in a suitable manner, so that the component 12 to be assembled can be contacted in a suitable manner.
  • FIG. 3 In Figure 3 is shown how the electrical assembly to be mounted is formed. It can be seen that on the mounting side 23 of the substrate 13 in the area of the additional material (see FIG. 2), the component 12 has been placed with its underside 26 on the mounting side 23 of the substrate 13. This device 12 has on its upper side 27 not shown electrical contacts.
  • the hood 11 according to FIG. 1 is placed on the assembly formed in this way, consisting of the substrate 13 and the component 12, the contacting structures 16 with their ends and the filler material (see FIG. 1) on the upper side 27 of the component 12 and Mounting side 23 of the substrate 13 come to rest.
  • the ends of the contacting structure 16 are each at different levels, in Figure 3 as the first Fügelevel 28, given by the mounting side 23 of the substrate 13, and as a second Fügelevel 29, specified by top 27 of the device 12, characterized are.
  • a third level 30 is provided by the bottom 24 of the substrate 13. This serves to fasten a base plate 31, which is designed as a heat sink and as a component via the filler material (see Figure 2) with the bottom 24 of the substrate 13 is thermally conductively connected.
  • cooling channels 32 may be provided for the purpose of cooling.
  • the additional material 17 ensures that this configuration for handling purposes already has sufficient stability in the further manufacturing process.
  • mating aids may be present. These may for example consist of external tools, such as brackets. It is also possible to integrate in the individual components joining aids, such as clip connections (not shown). The mounting of the individual components of the assembly by means of these mating aids is only temporary until the final assembly of the module.
  • the two layers 15 of metal within the lower layer 14 of the prepreg are also connected via a shaped piece of the filler material (see Figure 1).
  • This has the advantage that these two layers can be reliably connected to each other during the joining process.
  • a metallic connection 35a is thus also produced during the joining process, for example a sintered connection.
  • the contacting structure 16 is made of one piece.
  • the layers 14 of the prepreg must then be cut in a suitable manner, so that they can be laid in front of and behind the vertically extending parts of the contacting structure. Since the layers of the prepreg are elastic, certain undercuts can be overcome in this case.
  • the final assembly is also indicated in FIG.
  • the module is inserted in a suitable tool.
  • This consists of joining tools 20a, 20b, which are brought from below and from above to the finished assembly 25.
  • the joining tools have bearing surfaces 34, with which a compressive force P can be exerted on the components to be joined.
  • These bearing surfaces 34 are advantageously carried out flat, which thereby succeeds that both the base plate 31 and the hood 11 level in a suitable manner
  • a heater not shown, with which the joining tools are brought to the temperature T, the heat transferred over the entire bearing surface 34 on the assembly 25.
  • the heat in the joining tools can be done for example via an electrical resistance heater, not shown.
  • the filler material (see FIG. 1) is converted into joint connections 35, 35a according to FIG. 3, so that the assembly is permanently mounted in this way.
  • FIG. 4 shows an alternatively configured module 25, specifically after the joining tools have been removed.
  • the joining tools 33 according to FIG. 3 can also be used for the electrical assembly 25 according to FIG.
  • the hood 11 according to FIG. 4 is designed differently than the hood according to FIGS. 1 and 3. It consists of a thermoplastic plastic material.
  • a contacting structure 16 in the form of a leadframe has been inserted into the inner side 18 of the hood.
  • excess parts of the leadframe have already been cut off (not shown in detail).
  • the contacting structures have likewise been provided with an additional material (analogous to FIGS. 1 and 2), which forms joint connections 35 in the assembly 25 according to FIG.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelements (12) auf einen Substrat (13). Erfindungsgemäß wird das Fügen durch eine Haube (11) vereinfacht, indem in diese Haube eine Kontaktierungsstruktur (16) vorgesehen ist und diese beim Aufsetzen der Haube (11) auf verschiedenen Fügeleveln (28, 29) gleichzeitig mit einem Zusatzwerkstoff (35) gefügt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Haube, welche zur Anwendung in dem genannten Verfahren geeignet ist. Erfindungsgemäß besteht die Haube aus einem thermisch erweichbaren oder thermisch aushärtbaren Material, vorzugsweise aus einem Harz oder einem thermoplastischen Kunststoff. Die Haube wird vorzugsweise beim Fügen der Verbindungen soweit erwärmt, dass diese sich plastisch verformen lässt. Vorteilhaft werden auf diese Weise Toleranzen beim Fügen ausgeglichen, so dass es zu einer zuverlässigen Ausbildung aller Verbindungen kommen kann. Außerdem kann über die Haube ein erforderlicher Fügedruck aufgebaut werden, wie er beispielsweise bei Diffusionsverbindungen oder Sinterverbindungen der elektrischen Kontakte erforderlich ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelements, bei der eine Haube zum Einsatz kommt, und zur Anwendung in diesem Verfahren geeignete Haube
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelements auf einem Substrat, wobei das Bauelement eine dem Substrat zugewandte Unterseite und eine die- ser gegenüberliegende Oberseite aufweist. Bei dem Verfahren wird die Unterseite des Bauelements mit der durch das Substrat zur Verfügung stehenden Baugruppe mechanisch verbunden. Die Oberseite des Bauelements wird dann mit einer Kontaktie- rungsstruktur mechanisch verbunden. Dabei liegen die Fügever- bindungen, die beim Fügen entstehen, in mindestens zwei unterschiedlichen Fügeleveln.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Haube für eine elektrische Baugruppe, wobei die Baugruppe ein Substrat und mindes- tens ein auf diesem montiertes Bauelement aufweist. Die Haube weist eine Stützfläche auf, mit der sie auf das Substrat aufgesetzt werden kann. Außerdem weist die Haube eine Kavität auf, in der das Bauelement aufgenommen werden kann. Das Bauelement weist sowohl an seiner Oberseite als auch an seiner Unterseite, mit der es auf dem Substrat montiert wird, Kontakte auf. Diese Kontakte befinden sich damit auf verschiedenen Fügeleveln.
Die Fügelevel werden dadurch definiert, dass sich die Kontak- te elektronischer Bauelemente beim Montieren auf einem Substrat und beim Kontaktieren in verschiedenen Ebenen befinden, wobei der Ausdruck Ebene hier im technischen und nicht im mathematischen Sinne gemeint ist. Eine Ebene oder auch der zugehörige Fügelevel definiert Bereiche, in denen bestimmte elektrische oder anderweitige mechanische Verbindungen der zu kontaktierenden Bauelemente liegen. Durch die Anordnung von Bauelementen übereinander liegen die Fügelevel vorzugsweise ebenfalls übereinander, insbesondere in paralleler Ausrichtung zueinander.
Verfahren zum Montieren von elektronischen Bauelementen auf Substraten sind bekannt. Diese Montageverfahren finden auch bei der Montage von elektronischen Baugruppen der Leistungselektronik Anwendung. Beispielsweise ist in der DE
100 62 108 AI beschrieben, dass ein Leistungsmodul ausgebildet werden kann, bei dem die elektronischen Leistungsbauele- mente über eine Sinterschicht mit dem Substrat verbunden werden können. Bei dem Substrat kann es sich um in der Leistungselektronik üblicherweise verwendete DCB-Keramiksubstrate handeln (DCB steht für Direct Copper Bond) . Die Oberseiten der Leistungsbauelemente können mit einer Sinterschicht bei- spielsweise an eine zusätzliche Wärmekapazität angeschlossen werden, die einen Kühlkörper zur Verfügung stellt. Genauso kann das Substrat mit seiner Unterseite über eine Sinterschicht mit einem weiteren Kühlkörper verbunden werden. Gemäß der DE 10 2007 047 698 AI ist bekannt, dass die Sinterverbindungen elektronischer Baugruppen mit Hilfe spezieller Werkzeuge gefertigt werden können. Diese Werkzeuge weisen Druckflächen auf, die die zu sinternden Bauteile berühren, so dass während der Sinterbehandlung ein Druck auf diese ausge- übt werden kann. Über Toleranzausgleiche in dem Werkzeug kann gewährleistet werden, dass der aufgebrachte Druck auch dann gleichmäßig ist, wenn die zu sinternde Baugruppe toleranzbedingte Fertigungsungenauigkeiten aufweist. Bei der Sinterbehandlung wird zusätzlich zu dem Druckaufbau das Erreichen ei- ner bestimmten Sintertemperatur über einen definierten Zeitraum erforderlich. Statt Sinterverbindungen können auch
Lötverbindungen vorgesehen werden.
Gemäß der US 2013/0201631 AI ist darauf zu achten, dass die für den Sintervorgang notwendigen Temperaturen so gewählt sind, dass bereits montierte Fügeverbindungen in der Baugruppe durch die gerade stattfindende Wärmebehandlung nicht wieder aufgeschmolzen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Bauteilverbindungen, die vor dem betreffenden Verbindungsvorgang schon durchgeführt wurden, Verbindungsmaterialen aufweisen, deren Prozesstemperaturen (Erweichungstemperatur, Sintertemperatur, Schmelztemperatur) mit einem genügenden Sicherheitsabstand oberhalb derjenigen Prozesstemperatur des gerade stattfindenden Verbindungsprozesses liegen. Auf diesem Wege werden die bereits ausgebildeten Fügeverbindungen hinsichtlich ihrer Integrität durch den gerade ablaufenden Verbindungsvorgang nicht gefährdet .
Nach erfolgter Montage der Bauelemente auf dem Substrat muss in der Regel noch eine Kontaktierung dieser Bauelemente mit dem Substrat über geeignete Kontaktierungsstrukturen erfolgen. Dabei werden an der Oberseite des Bauelements liegende Kontakte mit korrespondierenden Kontakten auf dem Substrat verbunden. Hierzu können neben den allgemein bekannten Bonddrähten gemäß der US 2012/0106109 AI auch metallische Leitstrukturen verwendete werden, die beispielsweise Teil eines Leadframes sein können. Die in geeigneter Weise gebogenen Leitstrukturen werden vorzugsweise mittels Sintern oder Löten mit den betreffenden Kontaktflächen verbunden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kontaktierungsstrukturen durch Flexfolien zur Verfügung zu stellen, auf denen die Leitstruktur beispielsweise aufgedruckt ist. Auch die Flexfolien kön- nen gemäß der DE 10 2009 016 112 AI mittels Sinterverbindungen an den betreffenden Kontaktflächen der Oberseite des Bauelements und der Montageseite des Substrats verbunden werden.
Durch die bei Aufbauten der Leistungselektronik umgesetzten elektrischen Leistungen werden die leistungselektronischen
Baugruppen thermisch und elektrisch stark belastet, weswegen die elektrischen Verbindungen und anderen Fügeverbindungen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen müssen. Gerade Sinterverbindungen eignen sich zu diesem Zweck in besonderem Maße, da ihre thermische Stabilität sowie eine fehlerfreie Ausbildung der Fügeverbindung gewährleistet werden können. Allerdings bedeutet die Montage leistungselektronischer Baugruppen durch Sinterverbindungen im Vergleich beispielsweise zum Löten zur Zeit einen gewissen Mehraufwand in der Fertigung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelements auf einem Substrat anzugeben, wobei dieses vereinfacht wird und auch die Montage von leistungselektronischen Bauelementen zulässt. Weiterhin besteht die Aufgabe eine Haube der eingangs angegebenen Art anzugeben, die in diesem verbesserten Verfahren zum Einsatz kommen kann .
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kontaktierungsstruktur in Form von Leitpfaden in eine Haube integriert wird. Diese Haube ist aus einem thermisch erweichbaren oder thermisch aushärtbaren Material hergestellt. Bei der Montage wird die Haube zunächst auf die Montageseite des Substrats aufgesetzt. Dabei überspannt die Haube das Bauelement (oder mehrere Bauelemente) . Die Kontaktflächen der Kontaktierungsstruktur mit dem Substrat liegen dabei innerhalb eines ersten Fügelevels, der durch die Montageseite des Substrats zur Verfügung gestellt wird. Mit diesen Kontaktflächen wird das Substrat elektrisch leitend verbunden. Auf der Innenseite der Haube befinden sich weitere Kontaktflächen der Kontaktierungsstruk- tur, wobei diese innerhalb eines zweiten Fügelevels auf Höhe der Oberseite des Bauelements mit dort befindlichen Kontakten des Bauelements in Eingriff gelangen. Auf diesem Wege schafft die Kontaktierungsstruktur eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen auf dem Substrat und den Kontaktflä- chen auf der Oberseite des Bauelements, wobei die beiden Fügelevel überbrückt werden.
Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass das Material der Haube bei der Montage zumindest in den Erweichungsbereich (im Falle des Bestehens der Haube aus einem thermisch erweichbaren Material) oder in den Aushärtungsbereich (im Falle des Bestehens der Haube aus einem thermisch aushärtbaren Material) erwärmt wird. Dies hat den Vorteil, dass das Material der Haube während des Montagevorgangs in Grenzen plastisch verformbar wird. Treten bei der Montage Toleranzen auf, können diese damit zuverlässig überbrückt werden. Dies verringert die erforderliche Montagegenauigkeit bzw. vergrößert die zulässigen Fertigungstoleranzen der Fügepartner. Daher wird das Montageverfahren vorteilhaft vereinfacht.
Der Erweichungsbereich bzw. der Aushärtungsbereich ist durch einen Temperaturbereich gekennzeichnet, in dem die Erweichung in dem für das Montageverfahren zulässigen Maße bzw. die Aushärtung des Materials erfolgt. Während der Montage, also dem Aufsetzen der Haube auf das Substrat, ist für eine entsprechende Temperaturführung im Montageprozess zu sorgen, damit das plastisch verformbare Verhalten der Haube erzeugt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat, das Bauelement und die Haube mit der Kontaktie- rungsstruktur zuerst in der zu erzeugenden Konfiguration zueinander platziert werden. Erst danach sollen die Fügeverbin- düngen, insbesondere elektrische Verbindungen, am Bauelement innerhalb der mindestens zwei Fügelevel in ein und demselben Arbeitsgang durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperatur- und Druckerhöhung fertiggestellt werden. Gemäß der Erfindung ist mit anderen Worten vorgesehen, dass das Verfahren zur Montage der elektronischen Baugruppe auf dem Substrat in zwei definierten Prozessabschnitten ablaufen soll. Im ersten Prozessabschnitt werden alle zu montierenden Bauteile der durch das Substrat zur Verfügung gestellten Baugruppe zueinander platziert. Hierbei kommt es auch zur Ausbildung der Fügeverbindungen, die allerdings noch nicht fertiggestellt sind. In der zweiten Fertigungsphase werden die Fügeverbindungen fertiggestellt. Hierzu ist die Anwendung eines geeigneten Fügeverfahrens notwendig, wobei je nach Art der herzustellenden mechanischen Verbindungen eine Temperaturerhöhung (beispielsweise beim Löten) oder eine Temperatur- und Druckerhöhung (beispielsweise beim Diffusionslöten oder beim Sintern) erforderlich ist. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass diese Fügeverbindungen in einem Arbeitsgang hergestellt wer- den können. Hierzu ist es erforderlich, alle zu erzeugenden Fügeverbindungen auf die bei diesem einzigen Arbeitsgang eingestellten Prozessparameter auszulegen. Hierbei wird ein bestimmtes Temperaturniveau erreicht. Außerdem kann zumindest auf einen Teil der Verbindungen zusätzlich ein Druck ausgeübt werden. Die jeweils gewählte Verbindungsart sowie evtl. notwendiges Zusatzmaterial muss nicht notwendigerweise bei allen Fügeverbindungen genau gleich sein. Wesentlich ist lediglich, dass die Prozessparameter bei allen Verbindungsarten und Ma- terialien aufeinander abgestimmt sind und auf diese Weise die gleichzeitige Ausbildung aller Fügeverbindungen in einem Arbeitsgang möglich ist.
Durch die gleichzeitige Ausbildung aller Fügeverbindungen wird es vorteilhaft insbesondere auch möglich, Kontaktie- rungsstrukturen zu montieren, deren insbesondere elektrischen Verbindungen auf unterschiedlichen Fügeleveln liegen. Hierbei können diese Fügelevel überbrückt werden, ohne dass ein zusätzlicher Arbeitsgang zur Ausbildung der Fügeverbindungen notwendig würde. Vorteilhaft gelingt dies, indem die Unterseite des Bauelements innerhalb eines ersten Fügelevels liegt, der durch eine Montageseite des Substrates zur Verfügung gestellt wird und die Oberseite des Bauelements innerhalb eines zweiten Fügelevels liegt. Der erste Fügelevel wird durch die Ebene definiert, die gewöhnlich durch das Substrat zur Verfügung gestellt wird. Auf dieser Ebene (die bei nicht ebenen Substraten, wie beispielsweise Gehäusen, nicht zwangsläufig im mathematischen Sinne eben sein muss) liegt die Gruppe elektrischer Verbindungen, mit denen jeweils die Un- terseite der elektrischen Bauelemente auf dem Substrat kontaktiert wird. Die Oberseite der Bauelemente definiert dann, sofern diese elektrische Kontaktflächen aufweisen, einen zweiten Fügelevel, der durch die räumliche Höhenausdehnung der elektrischen Bauelemente von dem ersten Fügelevel
beabstandet ist. Durch unterschiedliche Höhen der elektrischen Bauelemente kann es sein, dass der zweite Fügelevel nicht in einer Ebene liegt, wobei die Summe aller Kontaktflächen auf der jeweiligen Oberseite von Bauelementen diesen Fü- gelevel definiert.
Werden mehrere elektrische Bauelemente aufeinander gestapelt, so entstehen dementsprechend in jeder "Etage" des Stapels weitere Fügelevel, die beim elektrischen Anschluss durch entsprechende Kontaktstrukturen evtl. überbrückt werden müssen. Die Anordnung der elektrischen Bauelemente derart, dass ihre Kontakte jeweils unterschiedlichen Fügeleveln zugeordnet werden können, erleichtert vorteilhaft die Montage der elektri- sehen Baugruppe, bei der die Bauelemente und Kontaktstrukturen Level für Level vormontiert werden können (d. h. zueinander platziert werden können) , um anschließend die vorzugsweise elektrischen Verbindungen in allen Fügeleveln in einem Arbeitsgang herzustellen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Erweichen oder Aushärten der Haube und das Fertigstellen der Fügeverbindungen in ein und demselben Arbeitsgang unter gleichen Bedingungen erfolgt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Temperaturbereich des Erweichungsbereichs bzw. Aushärtungsbereichs sich mit dem Temperaturbereich für das Fertigstellen der Fügeverbindungen zumindest überschneidet. In diesem Fall lässt sich eine Temperatur für die Montage finden, bei der gleichzeitig die Fertigstellung der Fügeverbindungen und das Aushärten bzw. Erweichen der
Haube stattfinden kann. Das Aushärten bzw. Erweichen der Haube und das Fertigstellen der Fügeverbindungen können aber auch nacheinander in demselben Arbeitsgang durchgeführt werden .
Außerdem muss das Material der Haube einer plastischen Verformung einen genügenden Widerstand entgegensetzen, damit evtl. bei dem Fertigstellen der Fügeverbindung ein Druck aufgebaut werden kann, der im Falle der Herstellung von Sinter- Verbindungen oder Diffusionslötverbindungen an den elektrischen Kontakten erforderlich sein kann. Dieser Druck kann aufgebaut werden, indem während der plastischen Verformung gleichzeitig ein Anteil einer elastischen Verformung in dem Material der Haube entsteht. Im Folgenden werden Beispiele für Materialpaarungen für die Fügeverbindungen einerseits und die Haube andererseits angegeben, welche die oben stehenden Bedingungen erfüllen.
Sinterverbindungen :
Silber-Sinterpaste (z.B. Heraeus mAgic Paste, Microbond ASP Serie) mit einem Temperaturbereich von 200 - 280°C Diffusionslötverbindungen:
Materialsystem SnCu, SnAg, SnNi und weitere Materialsysteme, die hochschmelzende intermetallische Phasen bilden können. Dabei können verschiedene Formulierungen verwendet werden, wie zum Beispiel
- Einpastensysteme mit in der Grundmatrix aus niedrigschmelzenden Legierungen (wie SnCu) dispergierten hochschmelzenden Partikeln (z.B. Cu) ,
- Zweipastensysteme mit sequentiellen Auftragsmethoden
(hochschmelzendes Cu gefolgt von SnCu-Legierung) oder - Methoden, den niedrigschmelzenden Zusatzwerkstoff (z.B.
SnCu-Legierung) zwischen die hochschmelzenden Grenzflächen (z.B. Cu) zu applizieren, wobei unter Prozessbedingungen durch diffusive Konzentrationsänderungen die hochschmelzende Fügezone generiert wird.
Thermisch aushärtbares Haubenmaterial:
Prepreg Material (z.B. Isola Duraver-E-Cu Qualität 104 ML) mit einem Temperaturmaximum von 230°C Thermisch erweichbares Haubenmaterial:
Als Beispiele sind hier thermoplastische Werkstoffe wie
Polyethylenterephthalate (PET) , modifizierte
Polyetheretherketone (PEEK) (bei erhöhten Fügetemperaturen) , Polyamide und Polyphthalamide (PPA) .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat mit seiner der Montageseite abgekehrten Rückseite eine Kontaktfläche zur Verfügung stellt, mit der ein dritter Fügelevel zur Verfügung gestellt wird. Innerhalb dieses Fügelevels wird ein Bauteil platziert. Anschließend wird in der erfindungsgemäßen Weise eine Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Substrat in genau dem Arbeitsgang durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperatur- und Druckerhöhung fertiggestellt, in dem auch die Fügeverbindungen am elektrischen Bauelement in dem ersten Fügelevel und dem zweiten Fügelevel (und evtl. weiteren Fügeleveln) fertiggestellt werden. Hierdurch ist vorteilhaft eine weitere Verein- fachung des Montageverfahrens möglich. Je mehr unterschiedliche Fügelevel in einem Arbeitsgang bei der Fertigstellung der Verbindungen berücksichtigt werden können, desto größer ist die Vereinfachung des Montageprozesses, was sich letztendlich auch vorteilhaft auf dessen Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Bei dem Bauteil, welches auf der Rückseite des Substrats montiert wird, kann es sich beispielsweise um einen Kühlkörper handeln, der bei leistungselektronischen Baugruppen zu einer Abführung der Verlustwärme dient . Dieser Kühlkörper kann auch als Grundkörper ausgebildet sein, wobei dieser zur gemeinsamen Montage von mehreren elektronischen Baugruppen zur Verfügung steht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Substrat beidseitig mit elektrischen Bauelementen zu bestücken. Eine Kühlung könnte in diesem Fall beispielsweise durch Kühl- kanäle im Substrat erfolgen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Fügeverbindungen mit ein und demselben Fügeverfahren fertiggestellt werden. Wie bereits erwähnt, ist es ebenso möglich, unterschiedliche Fügeverfahren für die einzelnen Fügeverbindungen auszuwählen. Jedoch muss die Bedingung erfüllt sein, dass die verschiedenen ausgewählten Fügeverfahren unter den vorgegebenen Prozessbedingungen (Druck, Temperatur) durchgeführt werden können. Insbesondere die Tem- peratur muss über die gesamte zu montierende elektrische Baugruppe gleich sein. Der Druck kann variieren, indem beispielsweise mehrere Fügewerkzeuge zum Einsatz kommen oder ein Fügewerkzeug vorgesehen wird, bei dem beispielsweise durch Federmechanismen mit unterschiedlicher Federsteifigkeit unterschiedliche Fertigungsdrücke an unterschiedlichen Komponenten des zu fügenden Auf aus angelegt werden. Auch für den Fall, dass alle Fügeverbindungen mit ein und demselben Füge- verfahren fertiggestellt werden, gelten diese Bedingungen.
Besonders vorteilhaft kann bei dem ausgewählten Fügeverfahren (insbesondere Diffusionslöten oder Sintern) auch derselbe Zusatzwerkstoff ausgewählt werden, so dass die Fertigungsbedingungen für das Fügeverfahren für die gesamte Baugruppe ein- heitlich sind. Es ist aber auch möglich, unterschiedliche Zusatzwerkstoffe auszuwählen, soweit diese in der oben erläuterten Weise unter den vorgegebenen Fügebedingungen fertiggestellt werden können. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass neben den Fügeverbindungen auch die Verbindung zwischen dem Bauteil (beispielsweise dem Kühlkörper) und dem Substrat (auf der Rückseite) mit dem ausgewählten Fügeverfahren fertiggestellt werden. Hiermit können die erläuterten Vorteile auch auf das Fügen der Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Substrat ausgeweitet werden, die sich in einem Arbeitsgang zusammen mit den Fügeverbindungen auf der Montageseite des Substrats fertigstellen lassen. Natürlich können auch die Verbindungen auf der Rückseite des Substrats elekt- rische Verbindungen sein, wenn das Bauteil, welches dort montiert wird, ein elektrisches Bauteil ist.
Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Fügeverfahren ein Diffusionslöten oder ein Sintern zum Einsatz kommt. Diese Verfahren eignen sich vorteilhaft in besonderer Weise, wenn Leistungselektronik montiert werden soll, da die ausgebildeten Verbindungen eine geringe Fehlerdichte aufweisen und eine hohe thermische Stabilität besitzen. Das Diffusionslöten hat einen mit dem Sintern verwandten Verfahrensablauf. Ein Zusatzwerkstoff wird in den Bereich zwischen den zu fügenden Bauteilen eingebracht, wobei dieser unter der Einwirkung von Temperatur und ggf. erhöhtem Druck zu einer Diffusion von niedrigschmelzenden und hochschmelzen- den Legierungskomponenten beiträgt. Durch diese lokalen Konzentrationsänderungen kommt es in der Fügezone und an deren Grenzflächen zu den benachbarten Bauteilen zur Generierung von hochschmelzenden intermetallischen Phasen, die eine hohe Temperaturstabilität besitzen. Die entstehende Verbindung hat sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten sowie hohe mechanische Festigkeiten.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass vor dem Platzieren in der zu erzeugenden Konfiguration auf das Substrat und/oder das Bauelement und/oder die Kontaktierungs- struktur in der Haube und/oder das Bauteil ein Zusatzwerkstoff aufgebracht wird. Wie bereits erwähnt, können diese Zusatzwerkstoffe das Fügen, beispielsweise das Sintern oder das Diffusionslöten erleichtern. Die für die Sintervorgänge bzw. Diffusionsvorgänge verantwortlichen Verbindungsbestandteile können allerdings auch in die Kontaktflächen für die auszubildende Verbindung enthalten sein. Beim klassischen Löten ist allerdings als Zusatzwerkstoff immer ein Lotwerkstoff er- forderlich.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Haube außen eine ebene Fläche aufweist, die parallel zum Substrat verläuft. Dies hat große Vorteile für den Ablauf des Montageverfahrens, welcher dadurch vereinfacht wird. Eine ebene Fläche erlaubt nämlich das einfache Aufsetzen eines Fügewerkzeugs, mit dem der Druck auf die zu montierende Baugruppe ausgeübt werden kann. Über dieses Werkzeug lässt sich im Übrigen auch die erforderliche Prozesswärme einbringen, wenn dieses erwärmt wird. Die Übertragung der Prozesswärme auf die zu fügenden Bauteile, insbesondere die Haube, wird ebenfalls verbessert, wenn eine ebene Fläche zur Verfügung steht, die sich insbesondere über die gesamte Flächenausdehnung der Haube erstreckt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Fügewerkzeug geometrisch nicht an die Haube ange- passt werden muss. Das Fügewerkzeug kann standardmäßig mit einer ebenen Fläche zur Druckausübung ausgestattet sein, wobei grundsätzlich Hauben unterschiedlicher Anwendungsfalle , also beispielsweise mit unterschiedlicher Größe oder mit unterschiedlicher Strukturierung der Innenseite, mit ein und demselben Fügewerkzeug montiert werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als aushärtbares Material ein Prepreg verwendet wird. Diese Materialien kann man als Halbzeuge beziehen und auf diesem Wege ohne großen Fertigungsaufwand Hauben unterschiedlicher Struktur anfertigen. Als Prepreg werden Verbundmaterialien aus Fasern und einer Matrix aus noch nicht vollständig ausgehärtetem, vorzugsweise duroplastischem, Harz verstanden. Das Harz kann allerdings teilweise ausgehärtet sein, um die mechanische Stabilität und die Verarbeitungseigenschaften des Prepregs zu verbessern. Eine endgültige Aushärtung erfolgt dann, wie bereits erläu- tert, im Rahmen der Montage der Haube.
Zur Herstellung der Haube können beispielsweise Prepregs von Isola Duraver-E-Cu verwendet werden. Diese werden dann in geeigneter Weise zugeschnitten und in Schichten übereinanderge- legt, wobei eine geschichtete dreidimensionale Struktur entsteht. Die Kontaktierungsstruktur kann ebenfalls aus Schichtmaterial, beispielsweise Metallfolien, oder aber einem Lead- frame ausgebildet werden. Diese metallischen Strukturen werden dann in den Schichtverbund integriert und durch das Aus- härten des Haubenmaterials in dieses eingebettet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass als thermisch erweichbares Material ein Phasenwechselmaterial (auch phase change material genannt) Verwendung findet. Als Phasenwechselmaterialien sind Materialien zu verstehen, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme größer ist als die Wärme, die diese Materialien aufgrund ihrer spezifischen Wärmekapazität, also ohne Phasenumwandlungseffekt, speichern können. Diese Materi- alien werden hinsichtlich ihres Phasenwechselverhaltens so ausgewählt, dass dieser Phasenwechsel im geplanten Betrieb der elektronischen Baugruppe zumindest in bestimmten Be- triebszuständen erreicht wird. Auf diese Weise kann sicherge- stellt werden, dass die Haube beispielsweise beim Überlastbetrieb von leistungselektronischen Komponenten eine Kühlungsreserve zur Verfügung stellt, indem durch die Erwärmung ein Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials erzwungen wird. Die- se Temperatur eines Phasenwechsels während des späteren Betriebs der Baugruppe liegt in jedem Fall unter derjenigen Temperatur, bei der die Haube erweicht. Diese Erweichung würde ansonsten auch im Betrieb erfolgen und würde daher die Funktion der Baugruppe gefährden. Ein solches Phasenwechsel - material kann daher nicht alleine die Haube bilden, sondern muss in ein weiteres Material der Haube eingebunden sein. Beispielsweise könnte dies in Form eines mit dem Phasenwech- selmaterial gefüllten Kissens erfolgen, wobei dieses in das restliche Material der Haube eingebettet wird. Allerdings lässt sich das Phasenwechselmaterial während der Montage aufgrund eines Vorliegens in der flüssigen Phase als Toleranzausgleich verwenden und lässt sich in diesem Zustand auch plastisch verformen. Daher kann das Montageverfahren von dem Einsatz des Phasenwechselmaterials profitieren, auch wenn de- ren Eigenschaften hauptsächlich für den späteren Betrieb der Baugruppe von Bedeutung sind.
Die Erfindung wird weiterhin mit der eingangs angegebenen Haube erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Kontaktie- rungsstruktur in Form von Leitpfaden in eine Haube integriert ist. Die Haube selbst besteht aus einem thermisch erweichbaren oder thermisch aushärtbaren Material. Die Kontaktierungs- struktur auf der Innenseite der Haube weist Kontaktflächen auf, die zur elektrischen Verbindung auf dem Substrat und an dem Bauelement dienen. Die Kontaktierungsstruktur verläuft dabei auf der Innenseite der Haube, wobei diese derart verläuft, dass die Kontaktflächen auf verschiedenen Niveaus angeordnet sind, die bei der späteren Montage die Fügelevel definieren. Einer dieser Fügelevel wird, wie bereits erläutert, durch die Oberfläche des Substrats zur Verfügung gestellt.
Ein anderer Fügelevel ist durch die Oberseite des Bauelements definiert, wo Kontaktflächen zur Kontaktierung mit der Kontaktierungsstruktur zur Verfügung stehen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Haube in Sandwichbauweise ausgeführt. Dabei bilden erfindungsgemäß sowohl das thermisch erweichbare oder thermisch aushärtbare Material als auch die Kontaktierungsstruktur Lagen in dem Sandwich. Diese Lagen können, wie bereits erläutert, aus einer thermoplastischen Kunststofffolie oder einem aushärtbaren Prepreg bestehen, während die Kontaktierungsstruktur beispielsweise durch eine Metallfolie oder einen Leadframe gebildet werden kann. Die Halbzeuge sind somit im Wesentlichen zweidimensional und können für die Herstellung der Haube in geeigneter Weise zugeschnitten werden. Durch Stapeln der einzelnen Lagen entsteht die dreidimensionale Struktur der Haube.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der Haube auf die Kontaktflächen der Kontaktierungsstruktur ein Zusatzwerkstoff aufgebracht ist. Hierbei kann es sich, wie bereits erläutert, um ein Hochtemperaturlot, ein Diffusionslot oder ein Sinter- material handeln. Diese Zusatzwerkstoffe stehen dann nach
Montage der Haube auf der Baugruppe zur Ausbildung der Füge- verbindungen zur Verfügung. Ein Fügen kann in der oben bereits erläuterten Weise erfolgen. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Stützfläche durch einen Rand der Haube gebildet ist. Die Haube wird dann mit ihrem Rand auf das Substrat aufgesetzt. Sofern der Rand umlaufend ist, entsteht beim Aufsetzen der Haube auf das Substrat eine geschlossene Kavität, die vorteilhaft einen Schutz der Bau- gruppe gegen Verschmutzung und andere Umwelteinflüsse gewährleistet. Auf dem Rand der Haube können im Übrigen auch die Kontaktflächen bzw. die mit dem Zusatzwerkstoff versehenen Kontaktflächen vorgesehen werden, da hierdurch eine Kontak- tierung der Kontaktierungsstruktur mit dem Substrat erfolgen kann .
Außerdem ist es besonders vorteilhaft, wenn die Außenseite der Haube eben ist. Dies bringt die bereits erläuterten Vor- teile einer vereinfachten Montage mit sich, da das Fügewerkzeug eine ebene und damit einfache Geometrie aufweisen kann und auch für unterschiedliche Haubengeometrien (mit ebener Außenseite) Verwendung finden kann. Vorteilhaft ist es selbstverständlich, wenn die Außenseite der Haube parallel zur Stützfläche ausgebildet ist, da das Substrat, sofern dieses in waagerechter Positionierung montiert wird, auch durch waagerechtes Aufbringen der Fügewerkzeuge montiert werden kann .
Als Materialien für das elektrische Bauelement kommen Silizium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid oder Galliumnitrid in Betracht. Diese Materialien werden vorzugsweise für leistungselektronische Bauelemente verwendet. Das Substrat kann zum Beispiel aus einer Keramik gefertigt sein. Diese kann mit Kupfer, Silber oder Gold beschichtet sein, wobei die Be- schichtung zur Ausbildung von elektrischen Kontaktflächen und Leiterbahnen strukturiert sein kann. Als Zusatzwerkstoffe können je nach Fügeverfahren Hochtemperaturlote wie Antimon- haltige Legierungen oder konventionelle hoch-bleihaltige Lote, Diffusionslote der Materialsystems Sn-Cu, Sn-Cu-Ni, Sn- Cu-Ag, und vorzugweise silberhaltige Sinterpasten oder Sinterfolien zum Einsatz kommen. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Haube im schematischen Querschnitt, wobei es sich hierbei auch um den ersten Schritt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahren handelt, Figur 2 und 3 weiterer Verfahrensschritte dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als Seitenansicht, teilweise geschnitten und
Figur 4 eine Baugruppe, fertig montiert, mit einer
Haube gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens im Querschnitt .
In Figur 1 ist eine Haube 11 dargestellt, die gemäß Figur 3 auf ein mit einem elektrischen Bauelement 12 ausgestattetem Substrat 13 aufgesetzt werden kann. Die Haube besteht aus mehreren Lagen, die zusammen eine Sandwichstruktur ergeben. Es sind Lagen 14 aus einem thermisch aushärtbaren Prepreg-
Material vorgesehen, zwischen denen metallische Lagen 15 eine Kontaktierungsstruktur 16 ergeben. Die Kontaktierungsstruktur ist somit in das Material der Haube integriert. An den Enden der Kontaktierungsstruktur 16, die Kontaktflächen zur Kontak- tierung zur Verfügung stellen, ist in diesem Beispiel ein Zusatzwerkstoff in Form eines Diffusionslots vorgesehen. Die Haube weist eine Innenseite 18 und eine Außenseite 19 auf, wobei die Außenseite 19 eben ausgeführt ist, damit ein Fügewerkzeug 20a mit ebener Druckfläche auf die Außenseite 19 der Haube 11 aufgesetzt werden kann (vgl. Figur 3) .
Auf der Innenseite 18 der Haube ist außerdem eine Stützfläche 21 gebildet, die in dem in Figur 1 dargestellten Schnitt durch den Zusatzwerkstoff 17 am äußeren Rand der Haube zur Verfügung gestellt wird. Wo kein Zusatzwerkstoff vorgesehen ist, kann diese Stützfläche 21 auch durch eine weitere Lage (nicht dargestellt) des Prepregs ausgebildet werden. Die Stützfläche dient dazu, in einem weiteren Verfahrensschritt direkt auf das Substrat aufgesetzt werden zu können. Hier- durch kann das Innere der Haube gegenüber der Umgebung abgedichtet werden, so dass im Inneren eine Kavität 22 entsteht (vgl. Figur 3 und 4) . In Figur 2 ist das Substrat 13 zu erkennen, welches eine Montageseite 23 und eine Rückseite 24 aufweist. Hierbei handelt es sich um ein nicht näher dargestelltes DCB-Keramiksubstrat, wobei die Kupferschichten nicht näher dargestellt sind. Auf der Montageseite 23 und auf der Rückseite 24 sind weitere Bereiche mit dem Zusatzwerkstoff 17 versehen, wo später verschiedene Fügepartner montiert werden sollen (vgl. Figur 3) . Die nicht dargestellte Kupferschicht auf der Montageseite 23 ist in geeigneter Weise strukturiert, damit das zu montieren- de Bauelement 12 in geeigneter Weise kontaktiert werden kann.
In Figur 3 ist dargestellt, wie die zu montierende elektrische Baugruppe ausgebildet ist. Es ist zu erkennen, dass auf der Montageseite 23 des Substrats 13 im Bereich des Zusatz- Werkstoffs (vgl. Figur 2) das Bauelement 12 mit seiner Unterseite 26 auf die Montageseite 23 des Substrats 13 aufgesetzt wurde. Dieses Bauelement 12 weist auf seiner Oberseite 27 nicht näher dargestellte elektrische Kontakte auf. Auf die so gebildete Baugruppe, bestehend aus dem Substrat 13 und dem Bauelement 12, wird die Haube 11 gemäß Figur 1 aufgesetzt, wobei die Kontaktierungsstrukturen 16 mit ihren Enden und dem Zusatzwerkstoff (vgl. Figur 1) auf der Oberseite 27 des Bauelements 12 und der Montageseite 23 des Substrats 13 zu liegen kommen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Enden der Kontaktierungsstruktur 16 jeweils auf unterschiedlichen Niveaus liegen, die in Figur 3 als erster Fügelevel 28, vorgegeben durch die Montageseite 23 des Substrats 13, und als zweiter Fügelevel 29, vorgegeben durch Oberseite 27 des Bauelements 12, gekennzeichnet sind. Ein dritter Fügelevel 30 wird durch die Unterseite 24 des Substrats 13 zur Verfügung gestellt. Dieser dient zur Befestigung einer Grundplatte 31, die als Kühlkörper ausgeführt ist und als Bauteil über den Zusatzwerkstoff (vgl. Figur 2) mit der Unterseite 24 des Substrats 13 thermisch leitend verbunden ist. In der Grundplatte 23 können zum Zwecke der Kühlung beispielsweise Kühlkanäle 32 vorgesehen sein. Die Baugruppe gemäß Figur 3 ist nun vormontiert. Das heißt, dass die einzelnen Komponenten (Grundplatte 31, Substrat 13, Bauelement 12, Kontaktierungsstruktur 16) in der zu erzeugenden Konfiguration zueinander platziert wurden. Der Zusatzwerkstoff 17 sorgt dafür, dass diese Konfiguration für Handhabungszwecke im weiteren Verfahren der Fertigung bereits eine genügende Stabilität aufweist. Zu diesem Zwecke können außerdem nicht näher dargestellte Fügehilfen vorhanden sein. Diese können beispielsweise aus externen Werkzeugen, wie beispielsweise Klammern, bestehen. Auch ist es möglich, in die einzelnen Bauteile Fügehilfen, wie beispielsweise Clipverbindungen, zu integrieren (nicht dargestellt) . Die Halterung der einzelnen Komponenten der Baugruppe mittels dieser Fügehilfen ist nur vorläufig bis zur endgültigen Montage der Baugruppe .
Gemäß Figur 3 sind die beiden Lagen 15 aus Metall innerhalb der unteren Lage 14 des Prepregs ebenfalls über ein Formstück des Zusatzwerkstoffs (vgl. Figur 1) verbunden. Dies hat den Vorteil, dass auch diese beiden Lagen während des Fügeprozesses zuverlässig miteinander verbunden werden können. Zwischen den beiden Lagen 15 wird somit auch eine metallische Verbin- dung 35a während des Fügeprozesses hergestellt, beispielsweise eine Sinterverbindung. Alternativ (nicht dargestellt) ist es auch möglich, dass die Kontaktierungsstruktur 16 aus einem Stück gefertigt wird. Allerdings müssen die Lagen 14 aus dem Prepreg dann in geeigneter Weise zugeschnitten werden, damit diese jeweils vor und hinter den senkrecht verlaufenden Teilen der Kontaktierungsstruktur verlegt werden können. Da die Lagen aus dem Prepreg elastisch sind, können hierbei gewisse Hinterschneidungen überwunden werden. Die endgültige Montage ist ebenfalls in Figur 3 angedeutet.
Die Baugruppe wird in ein geeignetes Werkzeug eingelegt. Dieses besteht aus Fügewerkzeugen 20a, 20b, welche von unten und von oben an die fertigzustellende Baugruppe 25 herangeführt werden. Die Fügewerkzeuge verfügen über Auflageflächen 34, mit denen eine Druckkraft P auf die zu fügenden Bauteile ausgeübt werden kann. Diese Auflageflächen 34 sind vorteilhaft eben ausgeführt, was dadurch gelingt, dass sowohl die Grundplatte 31 als auch die Haube 11 in geeigneter Weise ebene Auflageflächen für die Fügewerkzeuge 20a, 20b zur Verfügung stellen. Daher kann eine nicht näher dargestellte Heizung, mit denen die Fügewerkzeuge auf die Temperatur T gebracht werden, die Wärme über die gesamte Auflagefläche 34 auf die Baugruppe 25 übertragen. Die Wärme in den Fügewerkzeugen kann beispielsweise über eine nicht dargestellte elektrische Widerstandsheizung erfolgen. Zusammen mit der erforderlichen Druckkraft P wird der Zusatzwerkstoff (vgl. Figur 1) in Fügeverbindungen 35, 35a gemäß Figur 3 umgewandelt, so dass die Baugruppe auf diese Weise bleibend montiert wird.
Gleichzeitig mit der Schaffung der Fügeverbindungen 35, 35a wird auch das Material der Lagen 14 aus dem Prepreg ausgehärtet. Es ist erkennbar, dass sich dieses Material durch den Druck P plastisch verformt. Unter anderem setzt das Material dabei auf die Oberseite 27 des Bauelements 12 auf und kann dort einen Fügedruck erzeugen. Außerdem werden Lücken 36 (vgl. Figur 1) geschlossen, während sich die Lagen 14 des Prepregs miteinander verbinden. Aufgrund der plastischen Ver- formung ist auch eine bauchige Außenseite 37 der Haube 11 in Figur 3 zu erkennen. In diesem Zustand härtet das
Prepregmaterial aus, während gleichzeitig die Fügeverbindun- gen 35 in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Der Verlauf der Temperatur T und des Drucks P während des Fügeverfahrens muss sowohl die Aushärtungszeiten des Prepregs berücksichtigen als auch die Bedingungen der Ausbildung der Fügeverbindungen. Dabei müssen Druck P und Temperatur T nicht zwangsläufig konstant gehalten werden. Es ist auch möglich, dass beispielsweise erst die thermischen Bedingungen für die Aus- bildung des Prepregs erreicht werden, die geringer ausfallen, und anschließend der ausgehärtete Prepreg dazu verwendet wird, um den notwendigen Druck P für eine anschließende Sinterbehandlung zur Verfügung zu stellen. Hierbei kann, wenn erforderlich, auch eine Temperaturerhöhung erfolgen, da das ausgehärtete Prepregmaterial nun auch bei höheren Temperaturen mechanisch stabil bleibt. In Figur 4 ist eine alternativ ausgestaltete Baugruppe 25 dargestellt, und zwar, nachdem die Fügewerkzeuge entfernt wurden. Da die Außenfläche 19 sowie die Fläche der Grundplatte 31 jeweils eben ausgeführt sind, können die Fügewerkzeuge 33 gemäß Figur 3 auch für die elektrische Baugruppe 25 gemäß Figur 4 verwendet werden. Die Haube 11 gemäß Figur 4 ist allerdings anders ausgestaltet, als die Haube gemäß den Figuren 1 und 3. Diese besteht aus einem thermoplastischen Kunst- stoffmaterial . In die Innenseite 18 der Haube ist eine Kon- taktierungsstruktur 16 in Form eines Leadframes eingelegt worden. Nach vorläufiger Fixierung der Kontaktierungsstruktur sind überschüssige Teile des Leadframes bereits abgetrennt worden (nicht näher dargestellt) . Die Kontaktierungsstruktu- ren sind ebenfalls mit einem Zusatzwerkstoff (analog zu Figur 1 und 2) versehen worden, der in der Baugruppe 25 gemäß Figur 4 Fügeverbindungen 35 ausbildet.
Auch in Figur 4 ist zu erkennen, dass die Außenseite 37 der Haube gewölbt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der thermoplastische Kunststoff während des Fügevorgangs aufgrund der wirkenden Kräfte P (vgl. Figur 3) zu fließen begonnen hatte. Allerdings waren die erforderlichen Temperaturen für das Fügen so mit dem Temperaturbereich der Erweichung des thermoplastischen Materials der Haube 11 abgestimmt, dass dieser Fließvorgang nur langsam erfolgte und insofern eine genügende mechanische Stabilität des thermoplastischen Materials erhalten blieb, damit die Fügekraft P auf die sich ausbildenden Fügeverbindungen 35 übertragen werden konnte. Das Kriechen des thermoplastischen Materials muss im Übrigen so langsam erfolgen, dass der Fügedruck über den gesamten Zeitraum des Fügeprozesses aufrechterhalten werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Montieren eines elektrischen Bauelementes (12) auf einem Substrat (13) , wobei
- das Bauelement eine dem Substrat zugewandte Unterseite
(26) und eine dieser genüberliegende Oberseite (27) aufweist ,
- die Unterseite (26) des Bauelementes (12) mit der durch das Substrat (13) zur Verfügung stehenden Baugruppe me- chanisch verbunden wird,
- die Oberseite (27) des Bauelementes (12) und die Montageseite (23) des Substrates (13) über eine Kontaktie- rungsstruktur (16) mechanisch verbunden wird,
wobei die Fügeverbindungen, die beim Fügen entstehen, in mindestens zwei unterschiedlichen Fügeleveln liegen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Kontaktierungsstruktur (16) in Form von Leitpfaden in eine Haube (11) integriert wird,
wobei die Haube (11) aus einem thermisch erweichbaren oder thermisch aushärtbaren Material besteht,
wobei die Haube (11) bei der Montage
- auf die Montageseite (23) des Substrates (13) aufgesetzt wird,
- das Bauelement (12) überspannt,
- Kontaktflächen der Kontaktierungsstruktur (16) mit dem
Substrat (13) innerhalb eines ersten Fügelevels (28) , der durch die Montageseite (23) des Substates (13) zur Verfügung gestellt wird, in Eingriff gelangen und
- auf der Innenseite der Haube (11) Kontaktflächen der
Kontaktierungsstruktur (16) innerhalb eines zweiten Fügelevels (29) auf Höhe der Oberseite (27) des Bauelementes mit dem Bauelement (12) in Eingriff gelangen, und wobei das Material der Haube (11) bei der Montage zumindest in den Erweichungsbereich oder in den Aushärtungsbereich hinein erwärmt wird, während die Fügeverbindungen an den Kontaktflächen der Kontaktierungsstruktur (16) fertiggestellt werden .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
- das Substrat (13) , das Bauelement (12) und die Haube
(11) zusammengesetzt werden, bevor
- Fügeverbindungen (35) am Bauelement (12) in dem ersten Fügelevel (28) und in dem zweiten Fügelevel (29) in ein und demselben Arbeitsgang durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperatur- und Druckerhöhung fertiggestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Erweichen oder Aushärten der Haube (11) und das Fer- tigstellen der Fügeverbindungen (35) in ein und demselben Arbeitsgang unter gleichen Bedingungen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
- das Substrat (13) mit seiner der Montageseite (23) abgekehrten Rückseite (24), die einen dritter Fügelevel +30 zur Verfügung stellt, mit einem Bauteil (31) zusammengesetzt wird, bevor
- eine Verbindung zwischen dem Bauteil (31) und dem Substrat (13) in demjenigen Arbeitsgang fertiggestellt wird, in dem auch die Fügeverbindungen (35) am Bauelement (12) in dem ersten Fügelevel (28) und in dem zweiten Fügelevel (29) fertiggestellt werden.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Haube (11) außen eine ebene Fläche aufweist, die parallel zum Substrat verläuft.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als aushärtbares Material ein Prepreg verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als thermisch erweichbares Material ein Phasenwechselma- terial Verwendung findet.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Phasenwechselmaterial in einer Umhüllung einge- schlössen wird.
9. Haube für eine elektrische Baugruppe, die ein Substrat (13) und mindestens ein auf diesem montiertes Bauelement (12) aufweist, wobei die Haube
- eine Stützfläche (21) aufweist, mit der sie auf das Substrat aufgesetzt werden kann,
- eine Kavität aufweist, in der das Bauelement aufgenommen werden kann,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine Kontaktierungsstruktur (16) in Form von Leitpfaden in eine Haube (11) integriert ist,
wobei
- die Haube (11) aus einem thermisch erweichbaren oder
thermisch aushärtbaren Material besteht und
- die Kontaktierungsstruktur auf der Innenseite der Haube
(16), im Bereich der Stützfläche (21) in der Kavität (22) Kontaktflächen für das Substrat (13) und das Bauelement (12) aufsweist.
10. Haube nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Haube (11) in Sandwichbauweise ausgeführt ist, wobei das sowohl das thermisch erweichbare oder thermisch
aushärtbare Material als auch die Kontaktierungsstruktur (16) Lagen (14, 15) in dem Sandwich bilden.
11. Haube nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Haube auf die Kontaktflächen der
Kontaktierungsstuktur (16) ein Zusatzwerkstoff (17) aufgebracht ist.
12. Haube nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stützfläche (21) durch einen Rand der Haube (11) gebildet ist.
13. Haube nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Außenseite (19) der Haube (11) eben ist.
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