WO2017144040A1 - Vorrichtung verfahren und anlage zu der inhomogenen abkühlung eines flächigen gegenstandes - Google Patents

Vorrichtung verfahren und anlage zu der inhomogenen abkühlung eines flächigen gegenstandes Download PDF

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Stefan Fries
Rudi Ludwig
Björn Tauscher
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Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg
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    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3494—Heating methods for reflowing of solder

Definitions

  • the invention describes a device and an associated method for the inhomogeneous cooling of a flat object, in particular from the field of electrical engineering. Furthermore, the application of the device in a system, more precisely a soldering system for electrical components is described.
  • solder joint To connect solder joint with each other or with a component carrier. To produce such a solder joint liquefied solder, which is arranged between the two elements to be connected and is in contact with the elements to be connected, cooled below the melting point. The solidified by the cooling solder forms a cohesive solder joint of the two elements.
  • solder joint in the case of flat solder joints, it is desirable for the solder joint to form a homogeneous layer, that is to say a layer without gas inclusions, so-called voids.
  • Heat sink causes a targeted inhomogeneous cooling of the solder.
  • a shortcoming of the prior art cooling device is the complex control of the controlled heat sink.
  • the invention has for its object to provide a device and an associated method, which causes a simple way inhomogeneous cooling of a major surface of a sheet-like object, and to provide a soldering machine, in which this device can be arranged.
  • the device according to the invention serves for the inhomogeneous cooling of a planar article having a first main surface and a second main surface opposite this.
  • the planar article is cooled selectively from the direction of the first main surface by a cooling device, wherein the cooling device has a cavity, which is designed to be flowed through by cooling liquid, which here also includes other cooling media, and which faces the flat article Side is limited by an elastic membrane.
  • a heat conduction body is arranged to this elastic membrane, which is adapted to be in thermal contact by means of a heat receiving surface with a partial surface of the first main surface of the sheet article and by means of a heat transfer surface with the cooling liquid, whereby the second main surface and in particular the intermediate Lot of the flat article during the cooling process has an inhomogeneous temperature distribution at least in a partial period of cooling.
  • cooling of the second main surface is understood in particular to mean that the volume of the planar article adjacent thereto, ie its volume region extending from the second main surface into the interior of the article, is also cooled
  • surface should not be understood explicitly in the mathematical sense, but rather as a surface, which may thus have a certain topology, ie differences in height in its course.
  • heat-conducting body is at least one heat-conducting body.
  • the flat article is a base plate of a
  • Power semiconductor module with power electronics arranged thereon
  • the sheet article may be arranged with a power electronic substrate
  • the cooled solder is arranged.
  • the heat-conducting body has a circumferential intake, which is arranged in a recess of the elastic membrane.
  • the heat-conducting body may be formed integrally, but preferably in two pieces, with a first part body outside the hollow space and a second part body inside the hollow space. This first and second part body are preferably connected to one another in a force-locking manner, wherein this connection is preferably formed by means of a screw.
  • both partial bodies each have a sealing surface circumferentially around a recess of the membrane, said sealing surfaces are preferably arranged in alignment with each other.
  • the heat-conducting body is made of a material which is very highly thermally conductive, preferably of copper or of a copper alloy with a high copper content. It may be useful if the
  • Main surface has the following steps: a. the cavity of the cooling device is filled with a cooling liquid; b. the flat object becomes with a partial surface of its first
  • a soldering system according to the invention with a device described above is preferably designed as a continuous soldering machine with a plurality of chambers.
  • Such soldering machines are with different soldering, exemplified as
  • Process chambers an antechamber for preheating below the soldering temperature, a main chamber in which the solder is liquefied and a cooling chamber.
  • this cooling chamber the device according to the invention is arranged.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a flat article and a simplified representation of the device according to the invention.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a flat article in a side view.
  • FIG. 3 shows a section of a device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a further detail of a device according to the invention.
  • Figure 5 shows a time course of solidification surfaces a solder during the process of the invention.
  • Figures 6 and 7 show three-dimensional representations of a device according to the invention, Figure 7 with the second sheet-like object.
  • FIG. 1 shows a simplified exploded view of a first embodiment of a flat article 2 and a simplified representation of the device 1 according to the invention in a lateral view.
  • This base plate 20 is a basic plate of a power semiconductor module without restriction of generality and consists of
  • this base plate 20 has a solderable surface coating by way of example of a thin layer of nickel.
  • two power electronic substrates 22 are arranged and are to be materially bonded, by means of a solder layer 26 with the base plate
  • the power electronic substrates 22 are otherwise customary in the art and each have a layer sequence starting with a solderable layer, for connection to the base plate 20, on. This layer is followed by a layer of an industrial ceramic, which in turn is followed by a conductive layer, which is structured in itself and thus forms printed conductors. Power semiconductor components 24 are arranged on these printed conductors and are connected to them in a technically familiar manner.
  • Article 2 is formed by the exposed surfaces of the base plate 20, the power electronic substrates 22 and the power semiconductor devices 24. This second surface thus has a certain topography, so a
  • This flat object 2 forms a professional component of a
  • the base plate 20, the solder layer 26 and the respective substrate 22 are shown spaced apart.
  • the device according to the invention has a cooling device 1, which is designed here as a water cooling device.
  • the cooling effect of this cooling device can be controlled in its entirety on the amount of the flowing cooling medium 12 and its temperature.
  • the same functionality would also be possible with other, including gaseous, cooling media, if necessary, however, technologically more complex or possibly also with reduced cooling effect.
  • the cooling device 1 furthermore has a cavity 10, which is delimited on its side facing the flat object 2, inter alia, by two elastic membranes 16. These membranes 16 is associated with a heat conducting body 3, more precisely arranged in a respective recesses 160 of these membranes 16.
  • this heat conduction body 3 is formed in one piece and cylindrical and has a circumferential groove 36, that is, a collection of its side surface, with which it is fixed in an associated recess 160 of the membrane 16.
  • the heat conduction body 3 by the arrangement in the recess 160 of the elastic membrane 16 in the usual technical limits in all longitudinal directions, in particular on the flat object to, as well as tilting movable.
  • the heat conducting body 3 has a heat receiving surface 300, which faces the flat object 2. This heat receiving surface 310 is in the Use of the device with an associated partial surface 210 of the first
  • Main surface 200 of the sheet 2 in thermally conductive contact.
  • the heat conducting body 3 serves in its use and thus during the operation
  • the base plates 20 of power semiconductor modules have a curvature, to which the heat conducting body 3 presented in FIG.
  • the heat conducting body 3 further has a inside of the cavity 10 of the
  • Cooling device 1 lying heat transfer surface 330. This serves to deliver the heat absorbed at the heat receiving surface 310 to the cooling liquid 12 efficiently.
  • the device described has two essential basic advantages combined with each other.
  • the first main surface of the flat object may have a certain curvature with which the movably mounted heat conducting body can come into ideal thermal contact.
  • the heat dissipation through the direct thermal contact at a defined location is suitable for temporally and spatially controlling the solidification of the solder.
  • a spatially inhomogeneous temperature distribution, represented by the curve 60 in the context of the cooling process with respect to the first and thus also the second major surface of the flat article and thus, of course, in particular to the solder during solidification is achieved.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a flat article 2 in a side view.
  • this has a power electronic substrate 22.
  • This power electronic substrate 22 is otherwise customary and has a layer sequence of a lower metallic layer, which is however only optional. This layer is followed by a layer of an industrial ceramic, or of another electrically insulating layer, which in turn is followed by a conductive layer which is structured in itself and thus forms conductor tracks. On these tracks are
  • Power semiconductor device 24 is arranged and solder technology to connect. For clarity only, the power electronic substrate 22, the solder layer 26 and the respective power semiconductor device 24 are shown spaced apart.
  • These components 22, 24, 26 protract here the second embodiment of the flat article 2, whose first major surface 200 is formed by the underside of the power electronic substrate 22.
  • the second, the first opposite major surface 202 of the sheet 2 is formed by the exposed Surfaces of the power electronic substrate 22 and the power semiconductor devices 24.
  • This second surface 202 thus has a certain topography, ie a surface contour, which is not reproduced to scale in this representation.
  • This planar object 2 also forms a customary component of a power semiconductor module.
  • the device according to the invention serves in an analogous manner as in FIG. 1
  • FIG. 3 shows an exploded view of a section of a device according to the invention. Shown is an elastic membrane, formed from a
  • This membrane 16 has here a centrally located, circular recess 160.
  • the heat-conducting body 3 consists here of a first and a second
  • the first part body 30 has a heat receiving surface 310, which is designed to be in thermally conductive contact with the first part surface 210 of the first Main surface to be cooled 200 of the sheet-like object 2 and temporarily there an inhomogeneous temperature distribution, as shown schematically as a curve 60 to produce.
  • the first part of the body 30 further comprises on its side facing away from the heat receiving surface 310, a first sealing surface 300, which is arranged circumferentially around the edge of the recess 160 of the elastic membrane 16.
  • the second part body 32 has a stepped cross section in order to form a recess 36 of the heat conducting body 3. Furthermore, it has a second sealing surface 320, which is formed in alignment with the first sealing surface 300 of the first part body 30. As a result of the connection of the two partial bodies 30, 32, these sealing surfaces 300, 320 enclose the recess 160 of the elastic membrane 16 and thus seal off the cooling device 1, so that no cooling liquid 12 can escape.
  • the second part body 32 has a heat discharge surface 330.
  • its entire surface in contact with the coolant forms this heat delivery surface 330.
  • this may still have a surface contour in the form of cooling fins or cooling fingers to increase the surface and thus make the heat dissipation more efficient.
  • FIG. 4 shows a further detail of a device according to the invention.
  • the first part body 30 of the heat conducting body 3 according to FIG. 3 is here such
  • Heat receiving surface 310 a region 314, which consists of a less good heat conductive material. This material may be exemplified by a copper alloy.
  • FIG. 5 shows a time profile of solidification fronts 260 of a solder 26 during the method according to the invention. Shown is the plan view of a power semiconductor device 24 which is to be soldered to a substrate, not shown. The solder 26 associated with this power semiconductor component 24 is separated from the first main surface of the substrate, cf. FIG.
  • solder solidifies from the center to the outside, which is represented by the moving of solidification fronts 260 of the solder 26 to be understood as a continuous time course.
  • Figures 6 and 7 show three-dimensional representations of a device according to the invention, in Figure 7 with a flat object 2. Shown is a
  • Cooling device 1 with a cavity 10 through which cooling liquid 12 flows.
  • This hollow space 10 is directed towards the flat article 2, which here is a power semiconductor module with six substrates arranged in series, by means of an elastic membrane 16 with six recesses and heat conducting bodies 3 arranged in these recesses limited.
  • These heat-conducting body 3 can move by means of the elastic membrane 16 in the predetermined by the material of the membrane limits, in particular, it can be a tilting or
  • a metal plate 18 is additionally arranged here, which forms a stop in this direction of movement.
  • the heat conducting body 3 is basically the same as that according to FIG. 3.
  • Such a device is preferably part of a soldering system, wherein in a first chamber, a preheating of the sheet-like object, here a base plate of a power semiconductor module arranged thereon but not yet
  • solder advantageously in the form of a film
  • the solder is transferred from the solid to the liquid phase, in which case the actual process used is not restrictive.
  • the cooling chamber the device shown is arranged through which the solder is again transferred specifically into the solid phase and thus the substrates are firmly connected to the base plate.
  • Coolant 12 filled under a certain pressure. This will be the
  • Heat-conducting body 3 and the elastic membrane 16 pressed against the metal plate 18 and thus limits a volume expansion of the cavity 10.
  • Heat receiving surface 310 can apply to the first major surface of the base plate.
  • the metal plate 18 is no longer effective as a stop.
  • the heat conducting body 3 are aligned with the center of the respective associated substrate.
  • Partial surfaces of the first main surface of the base plate are locally cooled because the Wärmleit stresses 3 is in thermal contact with the cooling liquid 12, which has a lower temperature than the solder. There is thus a temperature compensation between the respective partial surface and the cooling liquid via the respective heat-conducting body 3. It is customary practice to flow through the cavity of the cooling device during the process with cooling liquid.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes mit einer ersten Hauptfläche und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche. Hierbei wird der flächige Gegenstand aus Richtung der ersten Hauptfläche von einer Kühleinrichtung selektiv gekühlt, wobei die Kühleinrichtung einen Hohlraum aufweist, der dazu ausgebildet ist von Kühlflüssigkeit, worunter hier auch andere Kühlmedien verstanden werden, durchströmt zu werden, und der auf der dem flächigen Gegenstand zugewandten Seite durch eine elastische Membran begrenzt ist. Hierbei ist zu dieser elastischen Membran ein Wärmeleitkörper angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist mittels einer Wärmeaufnahmefläche mit einer Teilfläche der ersten Hauptfläche des flächigen Gegenstandes sowie mittels einer Wärmeabgabefläche mit der Kühlflüssigkeit in thermischem Kontakt zu stehen, wodurch die zweite Hauptfläche und insbesondere das dazwischen liegende Lot des flächigen Gegenstands während des Abkühlvorgangs zumindest in einem Teilzeitraum der Abkühlung eine inhomogene Temperaturverteilung aufweist

Description

Vorrichtung, Verfahren und Anlage zur der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes
Beschreibung
Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes insbesondere aus dem Gebiet der Elektrotechnik. Weiterhin wird die Anwendung der Vorrichtung in einer Anlage, genauer eine Lötanlage für elektrotechnische Bauelemente beschrieben.
Insbesondere ist es fachüblich Bauelemente der Elektrotechnik mittels einer
Lötverbindung miteinander oder mit einem Bauelementeträger zu verbinden. Zur Herstellung einer derartigen Lötverbindung wird verflüssigtes Lot, das zwischen den beiden zu verbindenden Elementen angeordnet ist und in Kontakt mit den zu verbindenden Elementen steht, unter den Schmelzpunkt abgekühlt. Das durch den Abkühlprozess erstarrte Lot bildet eine stoffschlüssige Lotverbindung der beiden Elemente aus.
Insbesondere bei flächigen Lötverbindungen ist es dabei wünschenswert, dass die Lotverbindung eine homogene Schicht, also eine Schicht ohne Gaseinschlüsse, sog. Lunker, ausbildet.
Aus der DE 10 201 1 081 606 A1 ist eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen des noch flüssigen Lots bekannt, bei der eine komplex ausgebildete und gesteuerte
Wärmesenke eine gezielte inhomogene Abkühlung des Lots bewirkt. Die
Temperaturverteilung des Lots während des Abkühlungsprozesses soll inhomogen ausgebildet sein um zu bewirken, dass beim Abkühlen des Lot dessen
Erstarrungsfront ausgehend von einem Startbereiche nach Außen verläuft. Hierbei soll die Entstehung von Lunkern wirkungsvoll vermieden werden.
Ein Mangel der genannten Kühlvorrichtung gemäß dem Stand der Technik liegt in der komplexen Regelung der gesteuerten Wärmesenke.
In Kenntnis dieser genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zu schaffen, die auf einfache Weise eine inhomogene Abkühlung einer Hauptfläche eines flächigen Gegenstandes bewirkt, sowie eine Lötanlage anzugeben, in der diese Vorrichtung angeordnet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 , sowie durch eine Lötanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes mit einer ersten Hauptfläche und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche. Hierbei wird der flächige Gegenstand aus Richtung der ersten Hauptfläche von einer Kühleinrichtung selektiv gekühlt, wobei die Kühleinrichtung einen Hohlraum aufweist, der dazu ausgebildet ist von Kühlflüssigkeit, worunter hier auch andere Kühlmedien verstanden werden, durchströmt zu werden, und der auf der dem flächigen Gegenstand zugewandten Seite durch eine elastische Membran begrenzt ist. Hierbei ist zu dieser elastischen Membran ein Wärmeleitkörper angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist mittels einer Wärmeaufnahmefläche mit einer Teilfläche der ersten Hauptfläche des flächigen Gegenstandes sowie mittels einer Wärmeabgabefläche mit der Kühlflüssigkeit in thermischem Kontakt zu stehen, wodurch die zweite Hauptfläche und insbesondere das dazwischen liegende Lot des flächigen Gegenstands während des Abkühlvorgangs zumindest in einem Teilzeitraum der Abkühlung eine inhomogene Temperaturverteilung aufweist.
Hierbei wird unter dem Begriff „Abkühlen der zweiten Hauptfläche" insbesondere verstanden, dass das hieran angrenzende Volumen des flächigen Gegenstandes, also sein dortiger sich von der zweiten Hauptfläche ins Innere des Gegenstandes erstreckender Volumenbereich, ebenso mit abgekühlt wird. Weiterhin ist hier jeweils der Begriff„Fläche" explizit nicht im mathematischen Sinne zu verstehen, sondern als eine Oberfläche, die somit eine gewisse Topologie, also Höhenunterschiede in ihrem Verlauf aufweisen kann.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im
Singular genannten Merkmale in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mehrfach vorhanden sein. Insbesondere handelt es sich bei dem genannten Wärmeleitkörper um mindestens einen Wärmeleitkörper.
Vorzugsweise ist der flächige Gegenstand eine Grundplatte eines
Leistungshalbleitermoduls mit hierauf angeordneten leistungselektronischen
Substraten, wobei zwischen der Grundplatte und dem jeweiligen Substrat das abzukühlende Lot angeordnet ist. Alternativ kann der flächige Gegenstand ein leistungselektronisches Substrat mit hierauf angeordneten
Leistungshalbleiterbauelementen sein, wobei zwischen dem Substrat und dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement das abzukühlende Lot angeordnet ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Wärmeleitkörper einen umlaufenden Einzug aufweist, der in einer Ausnehmung der elastischen Membran angeordnet ist. Hierzu kann der Wärmeleitkörper einstückig, aber bevorzugt zweistückig mit einem ersten Teilkörper außerhalb des Hohlraums und einem zweiten Teilkörper innerhalb des Hohlraums, ausgebildet sein. Dieser erste und zweite Teilkörper sind vorzugsweise kraftschlüssig miteinander verbunden, wobei diese Verbindung vorzugsweise mittels einer Schraube ausgebildet ist. Dabei kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn beide Teilkörper eine Dichtfläche jeweils umlaufend um eine Ausnehmung der Membran aufweisen, wobei diese Dichtflächen vorzugsweise zueinander fluchtend angeordnet sind.
Es ist insbesondere bevorzugt, wenn der Wärmeleitkörper aus einem sehr gut wärmeleitenden Werkstoff, vorzuweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil, ausgebildet ist. Es kann hierbei sinnvoll sein, wenn die
Kontaktfläche und der darunter liegenden Abschnitt des Wärmeleitkörpers vollständig aus dem gleichen sehr gut wärmeleitenden Werkstoff besteht. Alternativ kann der mittige Bereich der Kontaktfläche und der darunter liegenden Abschnitt des
Wärmeleitkörpers aus dem sehr gut wärmeleitenden Werkstoff wie beispielhaft Kupfer bestehen, während der Randbereich der Kontaktfläche und der darunter liegende Abschnitt des Wärmeleitkörpers aus einem weniger gut wärmeleitenden Werkstoff wie beispielhaft Aluminium besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verwendung bzw. zum Betrieb einer oben genannten Vorrichtung zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes mit einer ersten Hauptfläche und einer dieser gegenüber liegenden zweiten
Hauptfläche, weist folgende Schritte auf: a. der Hohlraum der Kühleinrichtung wird mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt; b. der flächige Gegenstand wird mit einer Teilfläche seiner ersten
Hauptfläche in thermischen Kontakt mit der Wärmeaufnahmefläche des Wärmeleitkörpers gebracht; c. der Hohlraum der Kühleinrichtung wird von der Kühlflüssigkeit durchströmt.
Eine erfindungsgemäße Lötanlage mit einer oben beschriebenen Vorrichtung ist vorzugsweise als Durchlauflötanlage mit einer Mehrzahl von Kammern ausgebildet. Solche Lötanlagen sind mit verschiedenen Lötverfahren, beispielhaft als
Dampfphasenlötanlagen, bekannt. Meist weisen diese Lötanlangen drei
Prozesskammern, eine Vorkammer zur Vorerwärmung unterhalb der Lottemperatur, ein Hauptkammer in der das Lot verflüssigt wird und ein Abkühlkammer auf. In dieser Abkühlkammer ist die erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, gleich ob sie im Rahmen der Vorrichtung deren Verwendung oder der Anlage genannt sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend genannten und hier oder im Folgenden erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen sich nicht ausschließenden Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Figuren 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon. Figur 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands und eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands in seitlicher Ansicht. Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 4 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Erstarrungsflächen eine Lötung während des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 6 und 7 zeigen dreidimensionale Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 7 mit dem zweiten flächigen Gegenstand.
Figur 1 zeigt in vereinfachter Explosionsdarstellung eine erste Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands 2 und eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in seitlicher Ansicht. Bei dieser Ausgestaltung weist der flächige
Gegenstand 2 eine Grundplatte 20 auf. Diese Grundplatte 20 ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine Grundplatte eines Leistungshalbleitermoduls und besteht aus
Kupfer oder eine Legierung mit dem Hauptanteil Kupfer. Weiterhin weist diese Grundplatte 20 eine lotfähige Oberflächenbeschichtung beispielhaft aus einer dünnen Schicht Nickel auf.
Auf einer Oberfläche der Grundplatte 20 sind zwei leistungselektronische Substrate 22 angeordnet und sollen stoffschlüssig, mittels einer Lotschicht 26 mit der Grundplatte
20 verbunden werden. Die leistungselektronischen Substrate 22 sind im übrigen fachüblich ausgebildet und weisen jeweils eine Schichtfolge beginnend mit einer lotfähigen Schicht , zur Verbindung mit der Grundplatte 20, auf. Auf diese Schicht folgt eine Schicht aus einer Industriekeramik, auf die wiederum eine leitfähige Schicht folgt, die in sich strukturiert ist und somit Leiterbahnen ausbildet. Auf diesen Leiterbahnen sind Leistungshalbleiterbauelemente 24 angeordnet und auf fachübliche Weise stoffschlüssig damit verbunden.
Diese Komponenten 20, 22, 24, 26 bilden hier die erste Ausgestaltung des flächigen Gegenstands 2 aus, dessen erste Hauptfläche 200 ausgebildet wird durch die den leistungselektronischen Substraten 22 abgewandte Oberfläche der Grundplatte 20. Die zweite, der ersten gegenüberliegende Hauptfläche 202, des flächigen
Gegenstands 2 wird gebildet durch die frei liegenden Oberflächen der Grundplatte 20, der leistungselektronischen Substrate 22 und der Leistungshalbleiterbauelemente 24. Diese zweite Oberfläche weist somit eine gewisse Topographie, also eine
Oberflächenkontur auf, die in dieser Darstellung nicht maßstäblich wiedergegeben ist. Diese flächige Gegenstand 2 bildet eine fachübliche Komponente eines
Leistungshalbleitermoduls aus.
Weiterhin dargestellt ist neben dem ersten flächigen Gegenstand 2, eine vereinfachte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die hier dazu dient die
stoffschlüssige, hier lottechnische, Verbindung der Grundplatte 20 mit den beiden leistungselektronischen Substraten 22, wobei hier die Leistungshalbleiterbauelemente 24 mit den Substraten 22 bereits stoffschlüssig verbunden sind, auszubilden.
Ausschließlich zur Verdeutlichung sind die Grundplatte 20, die Lotschicht 26 und das jeweilige Substrat 22 beabstandet dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Kühleinrichtung 1 auf, die hier als Wasserkühleinrichtung, ausgebildet ist. Die Kühlwirkung dieser Kühleinrichtung kann in Ihrer Gesamtheit über die Menge des durchfließenden Kühlmediums 12 und dessen Temperatur geregelt werden. Grundsätzlich wäre die gleiche Funktionalität auch mit anderen, auch gasförmigen, Kühlmedien ggf. allerdings technologisch aufwendiger oder ggf. auch mit verminderter Kühlwirkung möglich.
Die Kühleinrichtung 1 weist weiterhin einen Hohlraum 10 auf, der auf seiner dem flächigen Gegenstand 2 zugewandten Seite unter anderem durch zwei elastische Membranen 16 begrenzt ist. Diesen Membranen 16 ist ein Wärmeleitkörper 3 zugeordnet, genauer in einer jeweiligen Ausnehmungen 160 dieser Membranen 16 angeordnet. Im einfachsten Fall ist dieser Wärmeleitkörper 3 einstückig und zylinderförmig ausgebildet und weist eine umlaufende Nut 36 auf, also einen Einzug seiner Seitenfläche, mit der er in einer zugeordneten Ausnehmung 160 der Membran 16 fixiert ist. Somit ist der Wärmeleitkörper 3 durch die Anordnung in der Ausnehmung 160 der elastischen Membran 16 in den fachüblichen technischen Grenzen in allen Längsrichtungen, insbesondere auf den flächigen Gegenstand zu, wie auch kippend beweglich.
Der Wärmeleitkörper 3 weist eine Wärmeaufnahmefläche 300 auf, die dem flächigen Gegenstand 2 zugewandt ist. Diese Wärmeaufnahmefläche 310 ist bei der Verwendung der Vorrichtung mit einer zugeordneten Teilfläche 210 der ersten
Hauptfläche 200 des flächigen Gegenstands 2 in thermisch leitendem Kontakt.
Der Wärmeleitkörper 3 dient bei seiner Verwendung und damit während der
Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls dazu das flüssige Lot 26 zwischen der Grundplatte 20 des Leistungshalbleitermoduls und den jeweiligen Substraten 22 derart zu Kühlen, dass die Erstarrung des Lots 26 mittig zu dem jeweiligen Substrat 22 beginnt und sich eine Erstarrungsfront des Lots 26 während des Abkühlprozesses nach außen zum Rand des Substrats 22 hin bewegt. Hierdurch kann eine Bildung von Lunkern in dieser vergleichsweise großflächigen Lötung einfach und besonders wirksam verhindert werden.
Es ist fachüblich, dass die Grundplatten 20 von Leistungshalbleitermodulen eine Wölbung aufweisen, an die sich der hier vorgestellte Wärmeleitkörper 3 in
idealerweise anlegen kann um die Grundplatte 200 genau an dieser Teilfläche 210 effizient zu kühlen. Dies hat den Vorteil, dass ein idealerweise zentral über dieser Teilfläche 210 angeordnetes Substrat 22 und damit natürlich das dazwischen angeordnete flüssige Lot 26 mittig zum Substrat 22 beginnt abzukühlen und zu erstarren.
Der Wärmeleitkörper 3 weist weiterhin eine im Inneren des Hohlraums 10 der
Kühleinrichtung 1 liegende Wärmeabgabefläche 330 auf. Diese dient dazu die an der Wärmeaufnahmefläche 310 aufgenommene Wärme an die Kühlflüssigkeit 12 effizient abzugeben.
Die beschriebenen Vorrichtung weist zwei wesentliche miteinander kombinierte grundlegende Vorteile auf. Einerseits kann die erste Hauptfläche des flächigen Gegenstands eine gewisse Krümmung aufweisen mit der der beweglich gelagerte Wärmeleitkörper in idealen thermischen Kontakt gelangen kann. Andererseits ist die Wärmeabfuhr durch den direkten thermischen Kontakt an einer definierten Stelle dazu geeignet das Erstarren des Lots zeitlich und räumlich zu steuern. Insbesondere wird hierbei eine räumlich inhomogenen Temperaturverteilung, dargestellt durch die Kurve 60, im Rahmen des Abkühlvorgangs bezogen auf die erste und somit auch zweite Hauptfläche des flächigen Gegenstandes und damit natürlich insbesondere auf das Lotes während der Erstarrung erreicht. Figur 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands 2 in seitlicher Ansicht. Bei dieser zweiten Ausgestaltung des flächigen Gegenstands 2 weist dieser ein leistungselektronisches Substrat 22 auf. Dieses leistungselektronische Substrat 22 ist im übrigen fachüblich ausgebildet und weist eine Schichtfolge aus einer unteren metallischen Schicht auf, die allerdings nur optional ist. Auf diese Schicht folgt eine Schicht aus einer Industriekeramik, oder aus einer anderen elektrisch isolierenden Schicht, auf die wiederum eine leitfähige Schicht folgt, die in sich strukturiert ist und somit Leiterbahnen ausbildet. Auf diesen Leiterbahnen sind
Leistungshalbleiterbauelement 24 angeordnet und lottechnisch damit zu verbinden. Ausschließlich zur Verdeutlichung sind das leistungselektronische Substrat 22 die Lotschicht 26 und das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 24 beabstandet dargestellt.
Diese Komponenten 22, 24, 26 wilden hier die zweite Ausgestaltung des flächigen Gegenstands 2 aus, dessen erste Hauptfläche 200 ausgebildet wird durch die Unterseite des leistungselektronischen Substrats 22. Die zweite, der ersten gegenüberliegende Hauptfläche 202 des flächigen Gegenstands 2 wird gebildet durch die frei liegenden Oberflächen des leistungselektronischen Substrats 22 und der Leistungshalbleiterbauelemente 24. Diese zweite Oberfläche 202 weist somit eine gewisse Topographie, also eine Oberflächenkontur auf, die in dieser Darstellung nicht maßstäblich wiedergegeben ist. Diese flächige Gegenstand 2 bildet ebenfalls eine fachübliche Komponente eines Leistungshalbleitermoduls aus.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient in analoger Weise wie zu Figur 1
beschrieben der gesteuerten Erstarrung des Lots 26.
Figur 3 zeigt in Explosionsdarstellung einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dargestellt ist eine elastische Membran, ausgebildet aus einem
Silikonkautschuk mit einer bevorzugten Dicke zwischen 0,2mm und 2,0mm, insbesondere von 1 ,3mm, die in der Kühleinrichtung 1 seitlich fixiert ist. Diese Membran 16 weist hier eine zentral gelegene, kreisförmige Ausnehmung 160 auf. Der Wärmeleitkörper 3 besteht hier aus einem ersten und einem zweiten
rotationssymmetrischen Teilkörper 30, 32, die mittels einer Schraubverbindung 34 miteinander verbunden sind.
Der erste Teilkörper 30 weist eine Wärmeaufnahmefläche 310 auf, die dazu ausgebildet ist in thermisch leitendem Kontakt mit der ersten Teilfläche 210 der ersten Hauptfläche 200 des zu kühlenden flächigen Gegenstandes 2 zu stehen und dort temporär eine inhomogenen Temperaturverteilung, wie schematisch als Kurve 60 dargestellt, zu erzeugen.
Der erste Teilkörper 30 weist weiterhin auf seiner der Wärmeaufnahmefläche 310 abgewandten Seite eine erste Dichtfläche 300 auf, die umlaufend um den Rand der Ausnehmung 160 der elastischen Membran 16 angeordnet ist.
Der zweite Teilkörper 32 weist einen stufigen Querschnitt auf, um eine Ausnehmung 36 des Wärmeleitkörpers 3 auszubilden. Weiterhin weist er eine zweite Dichtfläche 320 auf, die fluchtend mit der ersten Dichtfläche 300 des ersten Teilkörpers 30 ausgebildet ist. Durch die Verbindung der beiden Teilkörper 30, 32 umschließen diese Dichtflächen 300, 320 die Ausnehmung 160 der elastischen Membran 16 und dichten somit die Kühleinrichtung 1 ab, damit keine Kühlflüssigkeit 12 austreten kann.
Weiterhin weist der zweite Teilkörper 32 eine Wärmeabgabefläche 330 auf. Im Grund bildet seine gesamte mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt stehend Oberfläche diese Wärmeabgabefläche 330 aus. Zusätzlich kann diese noch eine Oberflächenkontur in der Art von Kühlrippen oder Kühlfingern aufweisen um die Oberfläche zu vergrößern und somit die Wärmeabgabe effizienter zu gestalten.
Figur 4 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der erste Teilkörper 30 des Wärmeleitkörpers 3 gemäß Figur 3 ist hier derart
weitergebildet, dass er nicht durchgängig aus einem einzigen besonders effizient Wärme leitenden Werkstoff, wie bevorzugt Kupfer besteht. Bei dieser Weiterbildung weist der rotationssymmetrische erste Teilkörper 30 umlaufend um die
Wärmeaufnahmefläche 310 einen Bereich 314 auf, der aus einem weniger gut Wärme leitenden Werkstoff besteht. Dieser Werkstoff kann beispielhaft eine Kupferlegierung sein.
Dieser weniger gut Wärme leitende Werkstoff erstreckt sich in den Abschnitt 315 unterhalb der Wärmeaufnahmefläche 310, wobei dieses Erstrecken nicht zwangsläufig linear, also gleichmäßig in die Tiefe ausgebildet sein muss. Entscheidend ist, dass durch diese weitergebildete Ausgestaltung ein zweistufiges Profil der Abkühlung der ersten und zweiten Hauptfläche des flächigen Gegenstands damit auch Lotschicht erfolgt, wie in der Kurve 62 angedeutet. Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Erstarrungsfronten 260 eines Lots 26 während des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt ist die Draufsicht auf ein Leistungshalbleiterbauelement 24, das auf ein nicht dargestelltes Substrat gelötet werden soll. Das diesem Leistungshalbleiterbauelement 24 zugeordnete Lot 26 wird von der ersten Hauptfläche des Substrats, vgl. Figur 2, aus gekühlt indem dort mit der Teilfläche der ersten Hauptfache die Wärmeaufnahmefläche des Wärmeleitkörpers in thermischen Kontakt gebracht wird. Im Laufe der Anwendung des Abkühlverfahren erstarrt das Lot vom Zentrum aus nach Außen, was durch die als kontinuierlichen zeitlichen Verlauf zu verstehenden Verschiebung von Erstarrungsfronten 260 des Lots 26 dargestellt ist.
Figur 6 und 7 zeigen dreidimensionale Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in Figur 7 mit einem flächigen Gegenstand 2. Dargestellt ist eine
Kühleinrichtung 1 mit einem von Kühlflüssigkeit 12 durchströmbaren Hohlraum 10. Dieser Hohlraum 10 wird in Richtung auf den flächigen Gegenstand 2, der hier ein Leistungshalbleitermodul mit sechs in Reihe angeordneten Substraten ist, durch eine elastische Membran 16 mit sechs Ausnehmungen und in diesen Ausnehmungen angeordneten Wärmeleitkörpern 3 begrenzt. Diese Wärmeleitkörper 3 können sich mittels der elastischen Membran 16 in den durch den Werkstoff der Membran vorgegebenen Grenzen bewegen, insbesondere kann sie eine Kipp- bzw.
Drehbewegung ausführen. Zur Begrenzung der Bewegung in Richtung auf den flächigen Gegenstand zu ist hier zusätzlich eine Metallplatte 18 angeordnet, die einen Anschlag in diese Bewegungsrichtung ausbildet.
Der Wärmeleitkörper 3 ist im Grund gleich demjenigen gemäß Figur 3 ausgebildet.
Eine derartig Vorrichtung ist bevorzugt Teil einer Lötanlage, bei der in einer ersten Kammer eine Vorerwärmung des flächigen Gegenstandes, hier einer Grundplatte eines Leistungshalbleitermoduls mit darauf angeordneten aber noch nicht
verbundenen, fertig ausgebildeten, Substraten. Zwischen dem jeweiligen Substrat und der Grundplatte ist jeweils ein Lot, vorteilhafterweise in Form einer Folie, angeordnet. In der zweiten Kammer wird das Lot von der festen in die flüssige Phase überführt, wobei hier der konkret verwendete Prozess keine Einschränkung bildet. In einer weiteren Kammer, der Abkühlkammer ist die dargestellte Vorrichtung angeordnet, durch die das Lot wieder gezielt in die feste Phase überführt wird und somit die Substrate fest mit der Grundplatte verbunden werden. Im Rahmen des Verfahrens ist der Hohlraum 10 der Kühleinrichtung 1 mit
Kühlflüssigkeit 12 unter einem gewissen Druck gefüllt. Hierdurch werden die
Wärmeleitkörper 3 und die elastische Membran 16 gegen die Metallplatte 18 gedrückt und damit eine Volumenausdehnung des Hohlraums 10 begrenzt.
Nachfolgend wird der flächige Gegenstand 2, also die Grundplatte samt Substraten und dazwischen angeordnetem flüssigem Lot auf den Wärmeleitkörpern 3 angeordnet und mit Druck soweit beaufschlagt, dass die Wärmeleitkörper 3 sich mit ihrer
Wärmeaufnahmefläche 310 an die erste Hauptfläche der Grundplatte anlegen können. Hierbei ist die Metallplatte 18 als Anschlag selbstverständlich nicht mehr wirksam. Bei dieser Ausführung fluchten die Wärmeleitkörper 3 mit dem Zentrum des jeweils zugeordneten Substrats.
Durch den thermischen Kontakt der Wärmeleitkörper 3 mit den zugeordneten
Teilflächen der ersten Hauptfläche der Grundplatte werden diese lokal abgekühlt, da die Wärmleitkörper 3 mit der Kühlflüssigkeit 12, die einer geringere Temperatur als das Lot aufweist, in thermisch leitendem Kontakt steht. Es erfolgt also über den jeweiligen Wärmeleitkörper 3 ein Temperaturausgleich zwischen der jeweiligen Teilfläche und der Kühlflüssigkeit. Fachüblich wird der Hohlraum der Kühleinrichtung während des Verfahren mit Kühlflüssigkeit durchströmt.
Durch diese beschriebenen Temperaturausgleich erstarrt das Lot oberhalb der Teilfläche der ersten Hauptfläche. Im weiteren zeitlichen Ablauf läuft die
Erstarrungsfront von diesem zentralen Bereich nach außen bis an den Rand der jeweiligen Substrate.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes (2) mit einer ersten Hauptfläche (200) und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche (202), wobei der flächige Gegenstand (2) aus Richtung der ersten Hauptfläche (200) von einer Kühleinrichtung (1 ) selektiv gekühlt wird, wobei die Kühleinrichtung (1 ) einen Hohlraum (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist von Kühlflüssigkeit (12) durchströmt zu werden, und der auf der dem flächigen Gegenstand (2) zugewandten Seite (14) durch eine elastische Membran (16) begrenzt ist und wobei zu dieser elastischen Membran (16) ein Wärmeleitkörper (3) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist mittels einer Wärmeaufnahmefläche (310) mit einer Teilfläche (210) der ersten Hauptfläche (200) des flächigen Gegenstandes (2) sowie mittels einer Wärmeabgabefläche (330) mit der Kühlflüssigkeit (14) in thermischem Kontakt zu stehen stehenden, wodurch die zweite Hauptfläche (202) des flächigen Gegenstands (2) während des
Abkühlvorgangs zumindest in einem Teilzeitraum der Abkühlung eine inhomogene Temperaturverteilung (60, 62) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei
der flächige Gegenstand (2) eine Grundplatte (20) eines
Leistungshalbleitermoduls mit hierauf angeordneten leistungselektronischen Substraten (22) ist und zwischen der Grundplatte (20) und dem jeweiligen Substrat (22) Lot (26) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei
der flächige Gegenstand (2) ein leistungselektronisches Substrat (22) mit hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (24) ist und zwischen dem Substrat (22) und dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement (24) Lot (26) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Wärmeleitkörper (3) einen umlaufenden Einzug (36) aufweist, der in einer Ausnehmung (160) der Membran (16) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Wärmeleitkörper (3) zweistückig ausgebildet ist, mit einem ersten Teilkörper (30) außerhalb des Hohlraums und einem zweiten Teilkörper (32) innerhalb des Hohlraums.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei
der erste und zweite Teilkörper (30, 32) kraftschlüssig miteinander verbunden sind und diese Verbindung vorzugsweise mittels einer Schraube (34) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei
beide Teilkörper (30, 32) je eine Dichtfläche (300, 320) jeweils umlaufend um eine Ausnehmung (160) der Membran (16) aufweisen und wobei diese
Dichtflächen (300, 320) vorzugsweise zueinander fluchtend angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Wärmeleitkörper (3) aus einem sehr gut wärmeleitenden Werkstoff, vorzuweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil, ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei
die Kontaktfläche (310) und der darunter liegenden Abschnitt (31 1 ) des
Wärmeleitkörpers vollständig aus dem gleichen sehr gut wärmeleitenden Werkstoff besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei
der mittige Bereich (312) der Kontaktfläche (310) und der darunter liegenden Abschnitt (313) des Wärmeleitkörpers (3) aus dem sehr gut wärmeleitenden Werkstoff besteht während der Randbereich (314) der Kontaktfläche (310) und der darunter liegende Abschnitt (315) des Wärmeleitkörpers (3) aus einem weniger gut wärmeleitenden Werkstoff besteht.
1 1 . Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes (2) mit einer ersten Hauptfläche (200) und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche (202), wobei a. der Hohlraum (10) der Kühleinrichtung (1 ) mit einer Kühlflüssigkeit (12) gefüllt wird; b. der flächige Gegenstand (2) mit einer Teilfläche (210) seiner ersten
Hauptfläche (200) in thermischen Kontakt mit der Wärmeaufnahmefläche (310) des Wärmeleitkörpers (3) gebracht wird; c. der Hohlraum (10) der Kühleinrichtung (1 ) von der Kühlflüssigkeit (12) durchströmt wird.
12. Lötanlage mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die Lötanlage als Durchlauflötanlage mit einer Mehrzahl von Kammern ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung in einer Abkühlkammer angeordnet ist.
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200
Fig. 2
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4/4
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1
Fig.7
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