WO2016116194A1 - Verbindungsanordnung zwischen einem trägerelement und einem elektronischen schaltungsbauteil und schaltungsträger - Google Patents

Verbindungsanordnung zwischen einem trägerelement und einem elektronischen schaltungsbauteil und schaltungsträger Download PDF

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WO2016116194A1
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cavity
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solder
layer
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PCT/EP2015/077223
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Michael Guyenot
Christiane MAGER
Andreas Fix
Andreas Birkhold
Timo Herberholz
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a connection arrangement between a
  • Carrier element and an electronic circuit component in particular a
  • the invention relates to a circuit carrier with a carrier element and one within the
  • Carrier element arranged in a cavity circuit component, wherein the circuit carrier has a connection arrangement according to the invention, and a method for producing a connection arrangement.
  • connection arrangement between a carrier element and an electronic circuit component according to the preamble of claim 1 has become known by the company Schweizer Systems under the name P 2 Pack®.
  • the known connection arrangement has one of several
  • the carrier element in an intermediate layer has a cavity for receiving a circuit component in the form of an IC or the like. on.
  • the shape of the cavity is adapted to the shape of the circuit component or the IC such that a circumferential gap is formed between the cavity and the circuit component.
  • Both the underside of the circuit component and the top of the circuit component are electrically contacted or connected to the carrier element.
  • Serve for this purpose above and below the intermediate layer in the region of the cavity arranged, in particular consisting of copper, electrically conductive layers. While the one, one of the underside of the circuit component associated electrically conductive layer via a (conventional) solder joint with the
  • Circuit component is connected, in the upper side of the circuit component associated electrically conductive layer through holes are formed, which filled with copper corresponding contacting areas on the
  • the carrier element moreover further, in particular electrically non-conductive layers.
  • a circuit carrier having a carrier element and at least one circuit component can be produced or processed analogously to printed circuit board technology, the circuit component being laminated inside the carrier element. Details regarding the formation of the solder joint between the underside of the circuit component and the associated electrically conductive layer of the carrier element are not known.
  • Forming a solder joint is subjected to a heat treatment, wherein the metal particles initially sintered to form voids or pores. During the further heat treatment and one with it
  • the solder of the solder layer liquefies and penetrates into the cavities or pores of the metal particles having layer.
  • the method known from the cited document enables the
  • the invention has the object, a connection arrangement between a support member and an electronic circuit component according to the preamble of
  • Claim 1 in such a way that a high quality
  • solder connection is formed.
  • a manufacturing technology advantageous embodiment of the solder joint with a provision of sufficiently large amounts of solder to be made possible even with relatively large-scale circuit components.
  • This object is achieved in a connection arrangement between a support member and an electronic circuit component with the characterizing features of claim 1, characterized in that the cavity in the intermediate layer of the support member has at least one extension that forms a depot for the solder prior to forming the solder joint.
  • Circuit component is adapted to achieve, for example, a gap as uniform as possible between the cavity and the circuit component according to the invention is extended at least one point, so as to allow the arrangement of a solder required for soldering in the form of a depot. This in turn means that this will help to educate the
  • Solder provided solder at least substantially before the
  • Forming the solder joint is located within the extension or in the depot and only during the formation of the solder joint, which usually takes place by a heat treatment, in the course of which the solder liquefies, in Wrkharm with the electrically conductive layer of the support member and the corresponding counter layer or the corresponding to be contacted
  • the entry or advance of the solder from the depot or the extension into the intermediate space between the electrically conductive layer and the circuit component is effected by capillary effects.
  • connection arrangement according to the invention makes it possible, in particular, to arrange the spot provided or required for the formation of the solder connection only selectively by means of a corresponding configuration or dimensioning of the extension. In particular, it is thereby made possible that during the manufacture or assembly of the circuit component within the
  • Connection arrangement allows the circuit component immediately after placement in the cavity with the corresponding further layers can be covered, wherein the corresponding layers can rest directly on the intermediate layer.
  • Circuit components within the cavity by a previous placement of solder in the intermediate region between the electrically conductive layer and the circuit component does not occur according to the invention.
  • connection arrangement according to the invention between a carrier element and an electronic circuit component are listed in the subclaims. All combinations of at least two of the features disclosed in the claims, the description and / or the figures fall within the scope of the invention.
  • the envisaged for the formation of the depot for the solder extension should be made as small as possible in terms of their area.
  • the simplest possible production or training of the extension is desirable.
  • the at least one extension is formed over the entire height of the intermediate layer.
  • Such a configuration of the extension is, for example, by a cutout formed over the entire height of the intermediate layer by means of a corresponding separation or
  • Milling tool achieved.
  • the cavity (for receiving the circuit component) is likewise formed over the entire height of the intermediate layer and has an at least substantially rectangular shape, wherein between the cavity and the circuit component
  • the cavity is formed over the entire height of the intermediate layer and an at least substantially rectangular shape having, between the cavity and the circuit component a
  • circumferential gap is formed, and that the at least one extension of a side edge of the cavity is arranged.
  • that side edge of the cavity is used which has the greater length. This allows the extension of the extension in one of the cavity
  • the at least one extension has an axis of symmetry which is arranged at an angle of 45 ° and 135 ° of side edges in the corner region of the cavity or at right angles to a side edge of the cavity.
  • Circuit component allows. However, it is also within the scope of the invention, for example, to provide one or three cavities.
  • the circuit component has a metallization on the side facing the electrically conductive layer of the carrier element, and that the solder interconnects the metallization and the electrically conductive layer of the carrier element.
  • connection arrangement provision may also be made for a further metal particle to be present between the circuit component and the electrically conductive layer of the carrier element Layer is arranged, wherein the metal particle-containing layer is adapted to sinter after a heat treatment.
  • Embodiment increases in the heat treatment in which the solder is liquefied both in the extension and in the layer containing the metal particles, the depth of infiltration and the rate of infiltration of the solder into the pores or cavities formed in the sintering process, so that a particularly high quality, at their surface particularly smooth or pore-free solder joint is achieved.
  • Connecting arrangement when using a metal particle-containing further layer provides that the metal particle-containing layer is formed from at least one prefabricated element.
  • a prefabricated element is in particular designed as a rigid or solid element, which by means of a suitable handling device,
  • Carrier element can be positioned. In particular, this is the case, for example, in contrast to a conventional printing method
  • the invention also includes a circuit carrier with a
  • Compound assembly according to the invention and a method for producing a connection arrangement.
  • Such a circuit carrier or the manufacturing method also have the advantages described above.
  • FIG. 1 shows a cross section through a portion of a circuit substrate, in which a connection arrangement according to the invention is formed
  • FIG. 2 shows a comparison with FIG. 1 modified circuit carrier below
  • FIG. 3 shows a top view of the region of an intermediate layer of a carrier element in the circuit carrier according to FIG. 1 or 2 in a first embodiment of extensions according to the invention for receiving solder and
  • FIG. 3 shows a top view of the region of an intermediate layer of a carrier element in the circuit carrier according to FIG. 1 or 2 in a first embodiment of extensions according to the invention for receiving solder and
  • FIG. 3 shows a top view of the region of an intermediate layer of a carrier element in the circuit carrier according to FIG. 1 or 2 in a first embodiment of extensions according to the invention for receiving solder
  • FIG. 4 is a comparison with FIG. 3 modified embodiment of
  • Extensions in the area of the intermediate layer also in a simplified plan view.
  • a circuit carrier 100 is greatly simplified and partially represented, as it is, for example, part of a control device or switching device in an electric or hybrid vehicle or the like. can be.
  • the Circuit carrier 100 comprises a carrier element 10 with at least one electronic circuit component 1 arranged within carrier element 10, for example an IC, an Asics or the like, preferably in the form of a chip.
  • the carrier element 10 has a sandwich-like construction. This includes by way of example, and not limitation, a first insulating layer 11, a first electrically conductive layer 12, for example consisting of copper, an intermediate layer 13, a second electrically conductive layer 14, also made of copper by way of example, and a second electrically conductive layer 14 covering second electrically insulating layer 15th
  • the cavity 20 is preferably formed over the entire height or thickness of the intermediate layer 13, for example by a cutout, a punching process or the like.
  • the geometry, i. the outer contour of the cavity 20 is so on the outline or the shape of the
  • Circuit component 1 adapted that, as shown in FIGS. 3 and 4 between the cavity 20 and the circuit component 1, with the exception of extensions 25a to 25f described further below, an at least almost uniformly large gap 21 is formed when the circuit component 1 is located within the cavity 20 at its desired position.
  • the thickness of the intermediate layer 13 is dimensioned such that in a disposed within the cavity 20 circuit component 1, the top of the circuit component 1 on the second electrically conductive layer 14 side facing the intermediate layer 13 does not protrude in height.
  • the circuit component 1 has in that shown in FIG.
  • connection arrangement 30 is formed between the circuit component 1 and the first electrically conductive layer 12.
  • the connecting arrangement 30 according to the invention comprises four extensions 25a to 25d arranged in the respective corner regions of the cavity 20 which otherwise has at least substantially a rectangular base, the shape of which is in each case identical.
  • the extensions 25a to 25d each have an axis of symmetry 31, which are arranged at an angle ⁇ of 45 ° and at an angle ⁇ of 135 ° to the respective side edges 32, 33 of the cavity 20. In other words, this means that the
  • the extensions 25a to 25d have a first region 34, which is rectangular in each case in plan view, onto which an approximately circular second region 35 adjoins on the side facing away from the cavity 20.
  • the extensions 25 a to 25 d are moreover arranged symmetrically with respect to an axis of symmetry 41 of the cavity 20.
  • solder 25d each form a depot for receiving a solder 37.
  • the solder 37 serves the electrical connection between the circuit component 1 and the first electrically conductive layer 12.
  • a solder joint 40 by the solder 37, during the manufacture of the circuit component 100, this undergoes a heat treatment in which the stockpiled in the extensions 25a to 25d Lot 37 is liquefied and penetrates by capillary action into the gap between the circuit component 1 and the first electrically conductive layer 12 and there forms the solder joint 40.
  • Fig. 4 are two extensions 25e, 25f in the form of half-oval or
  • the circuit carrier 100 shown in FIG. 2 differs from the circuit carrier 100 shown in FIG. 1 in that a further layer 42 is arranged between the circuit component 1 a and the first electrically conductive layer 12. In addition, depending on the application, it may be possible to dispense with the metallization 22 provided in the circuit component 1.
  • the further layer 42 contains metal particles and additives.
  • Metal particles are particularly, but not by way of limitation Particles of copper, bronze, nickel, zinc, brass or similar, with a particle size between 1 ⁇ and 50 ⁇ . Furthermore, metal particles of iron, titanium and their alloys are conceivable.
  • the layer thickness of the further layer 42 is typically between 10 ⁇ and 150 ⁇ .
  • the additives in the further layer 42 are in particular fluxes, but other additives may alternatively or additionally be used.
  • the material of the further layer 42 additionally contains a tin-based soft solder.
  • the proportion of the tin-based solder on the further layer 42 is between 1% by weight and 40% by weight, preferably between 5% by weight and 15% by weight.
  • the tin-based soft solder in the further layer 42 is selected, for example, from the group SnCu, SnAgCu, SnBi, SnSb, SnIn or SnZn or a mixture of the specified soft solders.
  • solder connection 40a in the circuit carrier 100 according to FIG. 2 sintering of the metal particles in the further layer 42 takes place during the heat treatment of the circuit substrate 100, forming pores or cavities.
  • sintering of the metal particles in the further layer 42 takes place during the heat treatment of the circuit substrate 100, forming pores or cavities.
  • the material of the solder 37 in analogy to the embodiment according to FIG. 1, penetrates into the still by capillary action
  • the further layer 42 can be arranged both in the form of a paste, and preferably in the form of prefabricated elements on the first electrically conductive layer 12.
  • the latter prefabricated elements are readily tradeable as solid, dried elements, for example by means of a so-called "pick and place” device, and can be inserted into the cavity 20 and positioned on the electrically conductive layer 12 at the locations provided for this purpose.
  • the connecting arrangement 30 or the circuit carrier 100 described so far can be modified or modified in many ways without deviating from the idea of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung (30) zwischen einem Trägerelement (10) und einem elektronischen Schaltungsbauteil (1; 1a), insbesondere einem IC, wobei das Trägerelement (10) einen aus mehreren Schichten bestehenden, sandwichartigen Aufbau aufweist, wobei in einer Zwischenschicht (13) des Trägerelements (10) eine Kavität (20) zur Aufnahme des Schaltungsbauteils (1; 1 a) ausgebildet ist, wobei das Schaltungsbauteil (1; 1 a) an zumindest einer Seite mittels einer Lötverbindung (40; 40a) mit einer elektrisch leitenden Schicht (12) des Trägerelements (10) verbunden ist, und wobei die Lötverbindung (40; 40a) zumindest durch ein Lot (37) zwischen der elektrisch leitenden Schicht (12) des Trägerelements (10) und dem Schaltungsbauteil (1; 1a) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Kavität (20) in der Zwischenschicht (13) des Trägerelements (10) wenigstens eine Erweiterung (25a bis 25f) aufweist, die einen Raum zur Aufnahme für das Lot (37) vor dem Ausbilden der Lötverbindung (40; 40a) ausbildet.

Description

Beschreibung
Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem
elektronischen Schaltungsbauteil und Schaltungsträger
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zwischen einem
Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil, insbesondere einem
IC, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Schaltungsträger mit einem Trägerelement sowie einem innerhalb des
Trägerelements in einer Kavität angeordneten Schaltungsbauteil, wobei der Schaltungsträger eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung.
Eine Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist durch die Firma Schweizer Systems unter der Bezeichnung P2 Pack® bekannt geworden. Die bekannte Verbindungsanordnung weist ein aus mehreren
Schichten bestehendes Trägerelement auf, wobei die einzelnen Schichten in sandwichartiger Anordnung übereinander angeordnet sind. Insbesondere weist das Trägerelement in einer Zwischenschicht eine Kavität zur Aufnahme eines Schaltungsbauteils in Form eines ICs o.ä. auf. Die Form der Kavität ist derart der Form des Schaltungsbauteils bzw. des ICs angepasst, dass zwischen der Kavität und dem Schaltungsbauteil ein umlaufender Spalt ausgebildet ist. Sowohl die Unterseite des Schaltungsbauteils als auch die Oberseite des Schaltungsbauteils sind elektrisch mit dem Trägerelement kontaktiert bzw. verbunden. Hierzu dienen ober- und unterhalb der Zwischenschicht im Bereich der Kavität angeordnete, insbesondere aus Kupfer bestehende, elektrisch leitende Schichten. Während die eine, eine der Unterseite des Schaltungsbauteils zugeordnete elektrisch leitende Schicht über eine (konventionelle) Lötverbindung mit dem
Schaltungsbauteil verbunden ist, sind in der Oberseite des Schaltungsbauteils zugeordneten elektrisch leitenden Schicht Durchgangsbohrungen ausgebildet, die mit Kupfer ausgefüllt entsprechende Kontaktierungsbereiche an der
Oberseite des Schaltungsbauteils kontaktieren. Neben den angesprochenen beiden elektrisch leitenden Schichten und der Zwischenschicht weist das Trägerelement darüber hinaus weitere, insbesondere elektrisch nichtleitende Schichten auf. Eine derartige Ausbildung eines ein Trägerelement sowie wenigstens ein Schaltungsbauteil aufweisenden Schaltungsträgers lässt sich in Analogie zur Leiterplattentechnologie herstellen bzw. verarbeiten, wobei das Schaltungsbauteil innerhalb des Trägerelements einlaminiert ist. Einzelheiten bezüglich der Ausbildung der Lötverbindung zwischen der Unterseite des Schaltungsbauteils und der dieser zugeordneten elektrisch leitenden Schicht des Trägerelements sind nicht bekannt.
Darüber hinaus ist es aus der DE 10 2013 218 423 A1 der Anmelderin bekannt, neben einer Lotschicht zur elektrischen Verbindung eines Schaltungsbauteils mit einem Trägerelement, beispielsweise einer Leiterplatte, eine zusätzliche, Metallpartikel enthaltende Schicht zu verwenden. Wesentlich bei der zuletzt genannten, die Metallpartikel enthaltenden Schicht ist es, dass diese zur
Ausbildung einer Lötverbindung einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei die Metallpartikel unter Ausbildung von Hohlräumen bzw. Poren zunächst versintern. Während der weiteren Wärmebehandlung und einer damit
einhergehenden Temperaturerhöhung verflüssigt sich das Lot der Lotschicht und dringt in die Hohlräume bzw. Poren der die Metallpartikel aufweisenden Schicht ein. Das aus der genannten Schrift bekannte Verfahren ermöglicht die
Ausbildung qualitativ hochwertiger Lötverbindungen.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine qualitativ hochwertige
Lötverbindung ausgebildet wird. Insbesondere soll eine fertigungstechnisch vorteilhafte Ausgestaltung der Lötverbindung mit einer Bereitstellung genügend großer Anteile von Lot, auch bei relativ großflächigen Schaltungsbauteilen ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Kavität in der Zwischenschicht des Trägerelements wenigstens eine Erweiterung aufweist, die ein Depot für das Lot vor dem Ausbilden der Lötverbindung ausbildet.
Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die ansonsten beim Stand der Technik vorhandene Kavität, die ausschließlich an die Form des
Schaltungsbauteils angepasst ist, um einen beispielsweise möglichst gleichmäßigen Spalt zwischen der Kavität und dem Schaltungsbauteil zu erzielen, erfindungsgemäß an wenigstens einer Stelle erweitert ist, um damit die Anordnung eines für Lötverbindung erforderlichen Lotes in Form eines Depots zu ermöglichen. Das wiederum bedeutet, dass das zur Ausbildung der
Lötverbindung vorgesehene Lot sich zumindest im Wesentlichen vor dem
Ausbilden der Lötverbindung innerhalb der Erweiterung bzw. im Depot befindet und erst während der Ausbildung der Lötverbindung, welche üblicherweise durch eine Wärmebehandlung erfolgt, in deren Verlauf sich das Lot verflüssigt, in Wrkverbindung mit der elektrisch leitenden Schicht des Trägerelements sowie der entsprechenden Gegenschicht bzw. den entsprechenden zu kontaktierenden
Bereichen des Schaltungsbauteils gelangt. Das Ein- bzw. Vordringen des Lotes aus dem Depot bzw. der Erweiterung in den Zwischenraum zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Schaltungsbauteil erfolgt dabei durch Kapillareffekte.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ermöglicht es insbesondere, durch eine entsprechende Ausgestaltung bzw. Dimensionierung der Erweiterung das zur Ausbildung der Lötverbindung vorgesehene bzw. erforderliche Lot lediglich punktuell anzuordnen. Insbesondere wird es dadurch ermöglicht, dass während der Fertigung bzw. Montage des Schaltungsbauteils innerhalb der
Kavität und dem darauffolgenden Überdecken der Kavität mit wenigstens einer weiteren Schicht durch das Schaltungsbauteil innerhalb der Kavität kein
Überstehen des Schaltungsbauteils über die Zwischenschicht hinaus erfolgt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass es die erfindungsgemäße
Verbindungsanordnung ermöglicht, dass das Schaltungsbauteil unmittelbar nach dem Platzieren in der Kavität mit den entsprechenden weiteren Schichten überdeckt werden kann, wobei die entsprechenden Schichten unmittelbar auf der Zwischenschicht aufliegen können. Eine Erhöhung der Bauhöhe des
Schaltungsbauteils innerhalb der Kavität durch eine vorhergehende Platzierung von Lot im Zwischenbereich zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Schaltungsbauteil erfolgt erfindungsgemäß nicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Die zur Ausbildung des Depots für das Lot vorgesehene Erweiterung sollte bezüglich ihrer Fläche möglichst klein ausgebildet sein. Darüber hinaus ist eine möglichst einfache Fertigung bzw. Ausbildung der Erweiterung wünschenswert. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verbindungsanordnung ist es daher vorgesehen, dass die wenigstens eine Erweiterung über die gesamte Höhe der Zwischenschicht ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung der Erweiterung wird beispielsweise durch eine über die gesamte Höhe der Zwischenschicht ausgebildete Ausfräsung mittels eines entsprechenden Trenn- bzw.
Fräswerkzeuges erzielt. Dadurch, dass die gesamte Höhe der Zwischenschicht zur Ausbildung der Erweiterung ausgenützt wird, ist die für die Erweiterung benötigte Fläche, bezogen auf eine bestimmte Menge des Lotes, minimiert.
Grundsätzlich sind unterschiedlichste Anordnungen der wenigstens einen Erweiterung denkbar. In einer bevorzugten ersten Variante der Anordnung der wenigstens einen Erweiterung ist es vorgesehen, dass die Kavität (zur Aufnahme des Schaltungsbauteils) ebenfalls über die gesamte Höhe der Zwischenschicht ausgebildet ist und eine zumindest im Wesentlichen rechteckförmige Form aufweist, wobei zwischen der Kavität und dem Schaltungsbauteil ein
umlaufender Spalt ausgebildet ist, und dass die wenigstens eine Erweiterung in einem Eckbereich der Kavität angeordnet ist.
In bevorzugter alternativer Ausgestaltung der wenigstens einen Erweiterung ist es vorgesehen, dass die Kavität über die gesamte Höhe der Zwischenschicht ausgebildet ist und eine zumindest im Wesentlichen rechteckförmige Form aufweist, wobei zwischen der Kavität und dem Schaltungsbauteil ein
umlaufender Spalt ausgebildet ist, und dass die wenigstens eine Erweiterung einer Seitenkante der Kavität angeordnet ist. Bevorzugt wird dabei diejenige Seitenkante der Kavität verwendet, die die größere Länge aufweist. Dadurch lässt sich die Erstreckung der Erweiterung in einer von der Kavität
wegweisenden Richtung minimieren.
Weiterhin ist es bei den gerade beschriebenen Anordnungen der Erweiterungen von Vorteil, wenn die wenigstens eine Erweiterung eine Symmetrieachse aufweist, die in einem Winkel von 45° und 135° von Seitenkanten im Eckbereich der Kavität oder rechtwinklig zur einer Seitenkante der Kavität angeordnet ist.
Um es zu ermöglichen, dass das Lot beim Ausbilden der Lötverbindung gleichmäßig bzw. von verschiedenen Seiten in den Überdeckungsbereich zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Schaltungsbauteil vordringen kann, ist es vorgesehen, dass zwei oder vier Kavitäten vorhanden sind, die symmetrisch zu einer Symmetrieachse der Kavität angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ermöglicht es insbesondere, dass das Lot beispielsweise bis zur Mitte des Schaltungsbauteils aus den einzelnen Erweiterungen jeweils denselben Weg zurückzulegen hat. Dadurch wird insbesondere auch eine gleichmäßige Verteilung des Lotes im Überdeckungsbereich mit dem
Schaltungsbauteil ermöglicht. Jedoch liegt es auch im Rahmen der Erfindung, beispielsweise eine oder drei Kavitäten vorzusehen. In einer ersten konkreten Ausgestaltung der Lötverbindung kann es vorgesehen sein, dass das Schaltungsbauteil auf der der elektrisch leitenden Schicht des Trägerelements zugewandten Seite eine Metallisierung aufweist, und dass das Lot die Metallisierung und die elektrisch leitende Schicht des Trägerelements miteinander verbindet. Eine derartige Anordnung ermöglicht es insbesondere, an sich bekannte bzw. konventionelle, Metallisierungen aufweisende
Schaltungsbauteile zu verwenden.
In alternativer Ausgestaltung der Verbindungsanordnung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass zwischen dem Schaltungsbauteil und der elektrisch leitenden Schicht des Trägerelements eine weitere, Metallpartikel aufweisende Schicht angeordnet ist, wobei die Metallpartikel aufweisende Schicht dazu ausgebildet ist, nach einer Wärmebehandlung zu versintern.
In besonders bevorzugter Weiterbildung der zuletzt genannten Variante der Verbindungsanordnung ist es vorgesehen, dass die Metallpartikel aufweisende
Schicht zusätzlich ein zinnbasiertes Weichlot enthält. Eine derartige
Ausgestaltung erhöht bei der Wärmebehandlung, bei der das Lot sowohl in der Erweiterung als auch in der die Metallpartikel enthaltenden Schicht verflüssigt wird, die Infiltrationstiefe sowie die Infiltrationsgeschwindigkeit des Lotes in die beim Versinterungsprozess entstandenen Poren bzw. Hohlräume, so dass eine qualitativ besonders hochwertige, an ihrer Oberfläche besonders glatte bzw. porenfreie Lötverbindung erzielbar ist.
Eine weitere, fertigungstechnisch vorteilhafte Ausgestaltung der
Verbindungsanordnung bei Verwendung einer Metallpartikel enthaltenden weiteren Schicht sieht vor, dass die Metallpartikel aufweisende Schicht aus wenigstens einem vorgefertigten Element ausgebildet ist. Ein derartiges, vorgefertigtes Element ist dabei insbesondere als starres bzw. festes Element ausgebildet, das mittels einer geeigneten Handhabungseinrichtung,
beispielsweise mittels einer sogenannten„Pick and Place"- Einrichtung, an die dafür vorgesehene Stelle im Bereich der elektrisch leitenden Schicht des
Trägerelements positioniert werden kann. Insbesondere wird dadurch, beispielsweise im Gegensatz zu einem üblichen Druckverfahren, die bei
Verwendung von pastenartigen Substanzen auf die elektrisch leitende Schicht verwendet werden, ein wesentlich vereinfachtes Handling erzielt, da die elektrisch leitende Schicht im Bereich der Kavität von der Zwischenschicht umgeben ist und dadurch ein Drucken im Bereich der Kavität relativ schwierig ist.
Um in fertigungstechnisch bevorzugter Ausgestaltung die einzelnen Schichten des Trägerelements miteinander verbinden zu können, bevor die Lötverbindung an dem Schaltungsbauteil und der elektrisch leitenden Schicht ausgebildet ist, ist es vorgesehen, dass die Dicke der Zwischenschicht zumindest im Wesentlichen der Dicke des Schaltungsbauteils und dem Lot sowie ggf. der weiteren, die Metall partikel enthaltenden Schicht entspricht. Zuletzt umfasst die Erfindung auch einen Schaltungsträger mit einem
Trägerelement sowie einem innerhalb des Trägerelements in einer Kavität angeordneten Schaltungsbauteil, wobei der Schaltungsträger eine
erfindungsgemäße Verbindungsanordnung aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung. Ein derartiger Schaltungsträger bzw. das Herstellungsverfahren weisen ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Schaltungsträgers, bei dem eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ausgebildet ist,
Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 modifizierten Schaltungsträger unter
Verwendung einer Metallpartikel aufweisenden Schicht zwischen einem Schaltungsbauteil und einer elektrisch leitenden Schicht, ebenfalls im Querschnitt,
Fig. 3 in Draufsicht den Bereich einer Zwischenschicht eines Trägerelements bei dem Schaltungsträger gemäß Fig. 1 oder 2 bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung von Erweiterungen zur Aufnahme von Lot und
Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 abgewandelte Ausführungsform der
Erweiterungen im Bereich der Zwischenschicht, ebenfalls in vereinfachter Draufsicht.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der Fig. 1 ist ein Schaltungsträger 100 stark vereinfacht und bereichsweise dargestellt, wie er beispielsweise Bestandteil einer Steuereinrichtung oder Schalteinrichtung in einem Elektro- bzw. Hybridfahrzeug o.ä. sein kann. Der Schaltungsträger 100 umfasst ein Trägerelement 10 mit wenigstens einem, innerhalb des Trägerelements 10 angeordneten elektronischen Schaltungsbauteil 1 , beispielsweise einem IC, einem Asics o.ä., vorzugsweise in Form eines Chips. Das Trägerelement 10 weist einen sandwichartigen Aufbau auf. Dieser umfasst beispielhaft, und nicht einschränkend, eine erste isolierende Schicht 11 , eine erste elektrisch leitende Schicht 12, beispielsweise aus Kupfer bestehend, eine Zwischenschicht 13, eine zweite elektrisch leitende Schicht 14, ebenfalls beispielhaft aus Kupfer bestehend, sowie eine die zweite elektrisch leitende Schicht 14 überdeckende zweite elektrisch isolierende Schicht 15.
In der Zwischenschicht 13 ist eine Kavität 20 zur Aufnahme des
Schaltungsbauteils 1 ausgebildet. Die Kavität 20 ist vorzugsweise über die gesamte Höhe bzw. Dicke der Zwischenschicht 13 ausgebildet, beispielsweise durch eine Ausfräsung, einen Stanzvorgang o.ä. Die Geometrie, d.h. der äußere Umriss der Kavität 20 ist derart an dem Umriss bzw. die Gestalt des
Schaltungsbauteils 1 angepasst, dass entsprechend der Darstellung der Fig. 3 und 4 zwischen der Kavität 20 und dem Schaltungsbauteil 1 , mit Ausnahme von im weiteren Verlauf noch beschriebenen Erweiterungen 25a bis 25f, ein zumindest nahezu gleichmäßig großer Spalt 21 ausgebildet ist, wenn sich das Schaltungsbauteil 1 innerhalb der Kavität 20 an seiner Sollposition befindet.
Darüber hinaus ist die Dicke der Zwischenschicht 13 derart bemessen, dass bei einem innerhalb der Kavität 20 angeordneten Schaltungsbauteil 1 die Oberseite des Schaltungsbauteils 1 auf der der zweiten elektrisch leitenden Schicht 14 zugewandten Seite die Zwischenschicht 13 in der Höhe nicht überragt.
Das Schaltungsbauteil 1 weist bei dem in der Fig. 1 dargestellten
Schaltungsträger 100 auf der der ersten elektrisch leitenden Schicht 12 zugewandten Seite eine Metallisierung 22 mit einer Dicke von beispielhaft zwischen 1 μιη und 10μηι auf. Auf der der Metallisierung 22 gegenüberliegenden Oberseite des Schaltungsbauteils 1 ist dieses über in der zweiten elektrisch leitenden Schicht 14 ausgebildete Durchgangsöffnungen 26, die während des Fertigungsprozesses mit Kupfer 27 befüllt werden, elektrisch leitend kontaktiert bzw. verbunden. Zusätzlich ist zwischen dem Schaltungsbauteil 1 und der ersten elektrisch leitenden Schicht 12 eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 30 ausgebildet. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 30 umfasst bei dem in der Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel vier, in den jeweiligen Eckbereichen der ansonsten zumindest im Wesentlichen eine rechteckförmige Grundfläche aufweisenden Kavität 20 angeordnete Erweiterungen 25a bis 25d, deren Form jeweils identisch ausgebildet ist. Die Erweiterungen 25a bis 25d weisen jeweils eine Symmetrieachse 31 auf, die um einen Winkel α von 45° sowie um einen Winkel ß von 135° zu den jeweiligen Seitenkanten 32, 33 der Kavität 20 angeordnet sind. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die
Erweiterungen 25a bis 25d in Art von Diagonalen von der Kavität 20 wegweisen.
Die Erweiterungen 25a bis 25d weisen beispielhaft einen jeweils in etwa in Draufsicht rechteckförmigen ersten Bereich 34 auf, an den sich auf der der Kavität 20 abgewandten Seite ein in etwa kreisförmiger zweiter Bereich 35 anschließt. Die Erweiterungen 25a bis 25d sind darüber hinaus symmetrisch zu einer Symmetrieachse 41 der Kavität 20 angeordnet. Die Erweiterungen 25a bis
25d bilden jeweils ein Depot zur Aufnahme eines Lotes 37 aus. Das Lot 37 dient der elektrischen Verbindung zwischen dem Schaltungsbauteil 1 und der ersten elektrisch leitenden Schicht 12. Zur Ausbildung einer Lötverbindung 40 durch das Lot 37 wird während der Fertigung des Schaltungsbauteils 100 dieses einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das in den Erweiterungen 25a bis 25d bevorratete Lot 37 verflüssigt wird und durch Kapillarwirkung in den Spalt zwischen dem Schaltungsbauteil 1 und der ersten elektrisch leitenden Schicht 12 eindringt und dort die Lötverbindung 40 ausbildet. In der Fig. 4 sind zwei Erweiterungen 25e, 25f in Form von Halbovalen bzw.
Halbkreisen vorgesehen, die ebenfalls symmetrisch zu einer Symmetrieachse 41 der Kavität 20 angeordnet sind und sich im Bereich der längeren Seitenkanten 33 befinden. Der in der Fig. 2 dargestellte Schaltungsträger 100 unterscheidet sich von dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltungsträger 100 dadurch, dass zwischen dem Schaltungsbauteil 1a und der ersten elektrisch leitenden Schicht 12 eine weitere Schicht 42 angeordnet ist. Darüber hinaus kann je nach Anwendungsfall ggf. auf die bei dem Schaltungsbauteil 1 vorgesehene Metallisierung 22 verzichtet werden. Die weitere Schicht 42 enthält Metallpartikel und Zusatzstoffe. Bei den
Metallpartikeln handelt es sich insbesondere, jedoch nicht einschränkend, um Partikel aus Kupfer, Bronze, Nickel, Zink, Messing o.ä., mit einer Partikelgröße zwischen 1 μηι und 50μηι. Ferner sind auch Metallpartikel aus Eisen, Titan und deren Legierungen denkbar. Die Schichtdicke der weiteren Schicht 42 beträgt typischerweise zwischen 10μηι und 150μηι. Bei den Zusatzstoffen in der weiteren Schicht 42 handelt es sich insbesondere um Flussmittel, jedoch können auch andere Zusatzstoffe alternativ oder ergänzend verwendet werden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material der weiteren Schicht 42 zusätzlich ein zinnbasiertes Weichlot enthält. Der Anteil des zinnbasierten Weichlots an der weiteren Schicht 42 beträgt zwischen 1Gew.-% und 40Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5Gew.-% und 15Gew.-%. Das zinnbasierte Weichlot in der weiteren Schicht 42 ist beispielsweise aus der Gruppe SnCu, SnAgCu, SnBi, SnSb, Snln oder SnZn oder einer Mischung der angegebenen Weichlote ausgewählt.
Bei der Ausbildung der Lötverbindung 40a bei dem Schaltungsträger 100 gemäß der Fig. 2 erfolgt während der Wärmebehandlung des Schaltungsträgers 100 zunächst eine Versinterung der Metallpartikel in der weiteren Schicht 42 unter Ausbildung von Poren bzw. Hohlräumen. Bei der weiteren Erwärmung bzw. während der weiteren Wärmebehandlung erfolgt sowohl ein Aufschmelzen des Weichlotes in dem Material der weiteren Schicht 42, als auch des Lotes 37 in den Erweiterungen 25a bis 25f. Dabei dringt das Material des Lots 37, in Analogie zur Ausführungsform gemäß der Fig. 1 , durch Kapillarwirkung in die noch
vorhandenen, bisher durch das Weichlot aus dem Material der weiteren Schicht 42 noch nicht gefüllten Poren bzw. Hohlräume ein und verschließt diese.
Die weitere Schicht 42 kann sowohl in Form einer Paste, als auch bevorzugt in Form von vorgefertigten Elementen auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 12 angeordnet werden. Letztere vorgefertigte Elemente sind als feste, getrocknete Elemente beispielsweise mittels einer sogenannten„Pick and Place" - Einrichtung leicht handelbar und in die Kavität 20 einführbar sowie an den dafür vorgesehenen Stellen auf der elektrisch leitenden Schicht 12 positionierbar.
Die soweit beschriebene Verbindungsanordnung 30 bzw. der Schaltungsträger 100 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Verbindungsanordnung (30) zwischen einem Trägerelement (10) und einem elektronischen Schaltungsbauteil (1 ; 1a), insbesondere einem IC, wobei das Trägerelement (10) einen aus mehreren Schichten bestehenden, sandwichartigen Aufbau aufweist, wobei in einer Zwischenschicht (13) des Trägerelements (10) eine Kavität (20) zur Aufnahme des Schaltungsbauteils (1 ; 1a) ausgebildet ist, wobei das Schaltungsbauteil (1 ; 1 a) an zumindest einer Seite mittels einer Lötverbindung (40; 40a) mit einer elektrisch leitenden Schicht (12) des Trägerelements (10) verbunden ist, und wobei die Lötverbindung (40; 40a) zumindest durch ein Lot (37) zwischen der elektrisch leitenden Schicht (12) des Trägerelements (10) und dem
Schaltungsbauteil (1 ; 1 a) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (20) in der Zwischenschicht (13) des Trägerelements (10) wenigstens eine Erweiterung (25a bis 25f) aufweist, die einen Raum zur Aufnahme für das Lot (37) vor dem Ausbilden der Lötverbindung (40; 40a) ausbildet.
2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Erweiterung (25a bis 25f) über die gesamte Höhe der Zwischenschicht (13) ausgebildet ist.
3. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kavität (20) über die gesamte Höhe der Zwischenschicht (13) ausgebildet ist und eine zumindest im Wesentlichen rechteckförmige Form aufweist, wobei zwischen der Kavität (20) und dem Schaltungsbauteil (1 ; 1 a) ein umlaufender Spalt (21) ausgebildet ist, und dass die wenigstens eine Erweiterung (25a bis 25d) in einem Eckbereich der Kavität (20) angeordnet ist. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kavität (20) über die gesamte Höhe der Zwischenschicht (13) ausgebildet ist und eine zumindest im Wesentlichen rechteckförmige Form aufweist, wobei zwischen der Kavität (20) und dem Schaltungsbauteil (1 ; 1 a) ein umlaufender Spalt (21) ausgebildet ist, und dass die wenigstens eine Erweiterung (25e, 25f) im Bereich einer Seitenkante (33) der Kavität (20) angeordnet ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Erweiterung (25a bis 25f) eine Symmetrieachse (31) aufweist, die in einem Winkel (a, ß) von 45° und 135° von Seitenkanten (32, 33) im Eckbereich der Kavität (20) oder rechtwinklig zu einer
Seitenkante (33) der Kavität (20) angeordnet ist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei oder vier Kavitäten (20) vorgesehen sind, die symmetrisch zu einer Symmetrieachse (41) der Kavität (20) angeordnet sind.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltungsbauteil (1) auf der der elektrisch leitenden Schicht (12) des Trägerelements (10) zugewandten Seite eine Metallisierung (22) aufweist, und dass das Lot (37) die Metallisierung (22) und die elektrisch leitende Schicht (12) des Trägerelements (10) miteinander verbindet.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Schaltungsbauteil (1a) und der elektrisch leitenden Schicht (12) des Trägerelements (10) eine weitere, Metallpartikel aufweisende Schicht (42) angeordnet ist, wobei die Metallpartikel aufweisende Schicht (42) dazu ausgebildet ist, nach einer Wärmebehandlung zu versintern.
9. Verbindungsanordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallpartikel aufweisende Schicht (42) zusätzlich ein zinnbasiertes Weichlot enthält.
10. Verbindungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallpartikel aufweisende Schicht (42) aus wenigstens einem vorgefertigten Element ausgebildet ist.
1 1. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dicke der Zwischenschicht (13) zumindest im Wesentlichen der Dicke des Schaltungsbauteils (1 ; 1 a) und dem Lot (37) sowie ggf. der weiteren Schicht (42) entspricht.
12. Schaltungsträger (100), mit einem Trägerelement (10) sowie einem
innerhalb des Trägerelements (10) in einer Kavität (20) angeordneten Schaltungsbauteil (1 ; 1a), wobei der Schaltungsträger (100) eine
Verbindungsanordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung (30) zwischen einem Trägerelement (10) und einem elektronischen Schaltungsbauteil (1 ; 1a), insbesondere einer Verbindungsanordnung (30) nach einem der Ansprüche
1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass in eine Erweiterung (25a bis 25f) einer Kavität (20) einer Zwischenschicht (13) des Trägerelements (10) vor dem Ausbilden einer Lötverbindung (40; 40a) zwischen einer elektrisch leitenden Schicht (12) des Trägerelements (10) und dem elektronischen Schaltungsbauteil (1 ; 1 a) Lot (37) eingebracht wird.
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