DE10102848A1

DE10102848A1 - Verfahren zum Verkleben elektronischer Schaltungen mittels beidseitig klebender Klebefolie auf einen Kühlblock oder Kühlblech

Info

Publication number: DE10102848A1
Application number: DE10102848A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Erb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: DE10102848B4

Abstract

Dieses Verfahren ist geeignet zum formschlüssigen und luftblasenfreien Verkleben von mit Bauteilen bestückten oder unbestückten elektronischen Schaltungsträgern auf einen Kühlblock oder ein Kühlblech mittels beidseitig klebender Klebefolie. DOLLAR A Das Verfahren geht davon aus, dass eine vorgestanzte Klebefolie auf den Kühlkörper positionsgenau und blasenfrei auflaminiert ist und zur weiteren Verarbeitung vorliegt. Die Klebefolie ist mit einer leicht abziehbaren Schutzfolie vor Beschädigungen und Fremdkörpern geschützt. Der Kühlkörper kann in dieser Form von einem Zulieferer bezogen werden. DOLLAR A Das Verfahren beinhaltet folgende Verfahrensschritte und Vorrichtungen: DOLLAR A 1. Der Kühlkörper wird in einer Vorrichtung fixiert, die Deckfolie von der doppelseitigen Klebefolie abgezogen und der bestückte Schaltungsträger passgenau über dem Kühlkörper positioniert (z. B. durch federnde Stifte oder mit einem justierbaren Roboter). DOLLAR A 2. Die Vorrichtung ist durch einen Deckel luftdicht verschließbar. Die Kammer wird evakuiert, bis ein ausreichender Unterdruck erreicht ist. Der bestückte Schaltungsträger wird nun auf den Kühlkörper abgesenkt und an unbestückten Flächen des Schaltungsträgers und am Rand leicht angedrückt. Nach kurzer Zeit kann die Kammer wieder mit Luft geflutet werden. DOLLAR A 3. Dieser Klebeverbund wird nun in eine Druckkammer gebracht. Über ein geeignetes flüssiges oder gasförmiges Medium wird nun ein isostatischer Druck auf die elektronische Baugruppe und den Kühlkörper ...

Description

I. Allgemeine Beschreibung Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben von mit Bauteilen bestückten elektronischen Schaltungsträgern mit einem Kühlkörperteil durch eine beidseitig klebenden Klebefolie, sowie einen nach einem solchen Verfahren hergestellten Verbund aus Kühlkörper und unbestücktem Schaltungsträger.

Stand der Technik

Immer häufiger ist es notwendig die anfallende Eigenerwärmung elektronischer Bauteile auf gedruckten Schaltung oder auf anderen Schaltungsträgern an Kühlflächen abzuführen. In den letzten Jahren werden laufend neue Leistungsbauteile und Prozessoren angeboten, die in Oberflächenmontage-Technik im Reflowverfahren grossflächig auf den Schaltungsträger gelötet werden können.

Wärmeleitendes Prinzip bei Leiterplatten oder auf Folien gedruckten Schaltungen

Über Wärmevias (Cu-Durchkontaktierungen innerhalb der Lötflächen, auf die die Leistungsbauteile gelötet werden) wird die anfallende Wärme an die Rückseite des Schaltungsträger transportiert. Durch Verkleben der unbestückten Seite (Rückseite) des Schaltungsträgers auf eine Kühlflächen aus z. B. Aluminium oder Kupfer mit Hilfe eines wärmeleitenden Klebers wird die anfallende Wärme dann effektiv an die Kühlfläche abgegeben. Um elektrische Entkopplung der elektronischen Schaltung vom Kühlkörper zu erreichen wird eine elektrisch isolierende aber thermisch leitende Verbindung benötigt.

Unter dem Begriff Heat-Sink Technologie ist eine Montagetechnik in den letzten Jahren bekannt geworden, bei der die Verklebung mit beidseitig klebender Klebefolie vorgenommen wird.

Bei anderen Schaltungsträgern wie z. B. auf Keramik aufgedruckten Schaltungen, wird, wegen der guten Wärmeleitung dieses Materials, die Wärme auch ohne durchmetallisierte Löcher auf die Rückseite der Schaltung geleitet. Die Ableitung der Wärme an einen Kühlkörper kann ebenfalls durch eine beiderseitig klebende Klebefolie kostengünstig erfolgen, weil keine thermische Aushärtung eines Klebers nötig ist.

Aus US-Patent 4 965 699 ist das Prinzip der HS-Leiterplatte durch Verschrauben der Leiterplatte auf dem Kühlkörper bekannt gemacht worden.

In DE 195 19 776 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der Kühlkörper mittels einer beidseitig klebenden gut wärmeleitenden Folie an der Leiterplatte befestigt wird.

Auch die Patente 195 49 354 A und DE 41 24 035 A beschreiben Verklebungen von Leiterplatten mit Klebefolie auf einen Kühlkörper. Eine weitere Offenlegungsschrift EP 0902 609 A1 beschreibt das Aufbringen der Klebefolie durch ein abrollendes Verfahren bei dem Tempern ein wesentliches Merkmal ist, um mögliche Lufteinschlüsse zu vermeiden.

Allgemeine Beschreibung der Verklebung mit doppelseitig klebender Klebefolie

Das Verkleben des Schaltungsträgers auf einen Kühlkörper oder Kühlblech kann vorteilhaft durch eine vorgestanzte, dünne beidseitig klebende Klebefolie vorgenommen werden. (Schaltungsträger können z. B. gedruckte Schaltungen aus FR4 oder Folien oder Dickschichtschaltungen sein). Als Klebefolien werden z. B. 50 µm-150 µm dicke wärmeleitende oder auch nicht speziell wärmeleitende, elektrisch isolierende Folien auf Acrylbasis verwendet, die durch silikonisierte Deckfolien (Wachspapier u. ä.) abgedeckt, auf die gewünschte Form gestanzt werden können. Für die gute thermische Wärmeleitung ist es wichtig, dass die Verklebung des Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper, insbesondere bei den Flächen, an denen die wärmeerzeugenden Leistungsbauteile montiert sind, ohne Lufteinschlüsse und mit gutem Kontakt miteinander verklebt sind.

Um einen Schaltungsträger und eine Kühlfläche mit einer solchen Klebefolie zu verkleben sind im Wesentlichen folgende Verfahrensschritte bekannt:

- Positionsgenaues Auflaminieren der einseitig abgedeckten vorgestanzten Klebefolie auf den Kühlkörper (oder den Schaltungsträger) z. B. durch mechanisches Aufwalzen mit einer elastischen Gummiwalze oder einer, einer Löschblattwiege ähnlichen Vorrichtung. Dies ist wegen der ebenen Fläche des z. B. Kühlkörpers, der dünnen Klebefolie und dem linienförmigen Abrollvorgang i. d. R. gut ohne Lufteinschlüsse möglich. Diese Montage der Klebefolie auf z. B. den Kühlkörper ist z. B. in EP 0 902 609 A1 beschrieben, wobei hier ein wesentliches Merkmal das Tempern ist, um prozesssicher ohne Lufteinschlüsse zu verkleben.
- Entfernen der Deckfolie von der auflaminierten Klebefolie. Der 2. Fügepartner, der Schaltungsträger (oder der Kühlkörper) wird entsprechend über dem anderen Fügepartner positioniert und auf die Klebefläche gefügt.
Problem bei diesem Arbeitsgang ist es, dass sowohl der Schaltungsträger wie auch ein kostengünstiger Kühlkörper nie ganz planparallel ist, sondern diese eine gewisse Unebenheit aufweisen. Die Klebefolie lässt auf Grund ihrer hohen Klebrigkeit beim ungleichmässigen Aufsetzen der Fügepartner die eingeschlossene Luft nicht mehr austreten. Lufteinschlüsse würden aber die Wärmeleitung erheblich verschlechtern, wodurch das Ziel, gute Wärmeableitung zu erhalten, verhindert wäre.
Um bei diesem Arbeitsgang Lufteinschlüsse zu vermeiden, wird z. B. die eine Fläche (z. B. der Schaltungsträger) auf die andere Fläche, z. B. der Kühlkörper mit offener Klebefolie, wie ein Buchdeckel auf das Buch geklappt und über einen flächigen Stempel angedrückt. Eine andere, möglicherweise noch nicht veröffentlichte Methode in diesem Zusammenhang ist, dass dieser Positionier- und Fügeprozess bei Unterdruck bzw. im Vakuum vorgenommen wird. Auch damit ist das Fügen der Klebepartner ohne Lufteinschlüsse möglich. Durch das Belüften der Vorrichtung werden die zu verklebenden Klebepartner mit Atmosphärendruck aneinandergedrückt.
- Zur sicheren und formschlüssigen Verklebung der Klebepartner müssen diese jedoch durch entsprechende Ausübung von Druck, bei einer geeigneten Temperatur über eine gewisse Zeit miteinander verpresst werden. Bekanntermassen können die topographischen Unebenheiten der Schichtschaltung nur dadurch vom Folienkleber vollständig benetzt und ausgeglichen werden, wenn der Folienkleber durch ausreichenden Druck zum Fliessen gebracht wird. Druck und Temperatur während der Verpressung sind individuell anzupassen an die Fügepartner. Drücke von 1,5-20 bar und Temperaturen von Raumtemperatur -150°C sind möglich.

Ein derart hergestellter Verbund von Schaltungsträger und Kühlfläche kann im weiteren wie eine normale gedruckte Schaltung auf der nichtverklebten Seite mit Lotpaste bedruckt, mit Bauteilen bestückt und z. B. im Reflowverfahren gelötet werde.

Steigende Anforderungen an die Packungsdichte elektronischer Schaltungen und Rationalisierung des Fertigungsprozesses stimulierten die Erfindung

Der immer höhere Rationalisierungsdruck in der Industrie einerseits und die immer dichtere Anordnung von Bauteilen auf Schaltungsträgern zur Verkleinerung des Bauvolumens der Geräte machen es erforderlich, dass

a) Schaltungsträger mit Kühlflächen zumindest partiell beidseitig bestückt werden können,
b) Es ist wünschenswert, dass einseitig im Großnutzen bestückte Schaltungsträger vor oder nach dem Vereinzeln auch in diesem bestückten Zustand noch mit einem Kühlkörper verklebt werden können. (Rationalisierung).

Dies erreicht man heute dadurch, dass eine pastöse Klebemasse auf eine der zu verklebenden Flächen dosiert oder mit Schablone gedruckt wird und der mit Bauteilen bestückte Schaltungsträger darauf formschlüssig gefügt wird. Der Kleber muss in der Regel durch einen relativ langen Temperaturprozess vernetzt und ausgehärtet werden. Während dieses Vorganges muss die Schaltung positionsgenau auf dem Kühlkörper fixiert sein.

Die heute bekannte Verklebetechnik mit beidseitig klebenden elastischen Klebefolien kann nicht für bestückte Baugruppen eingesetzt werden. Sie ist i. d. R. nur einsetzbar, wenn:

a) Der Schaltungsträger unbestückt ist, da Kühlkörper und Schaltung flächig aufeinander gepresst werden müssen.
b) das Verpressen kann i. d. R. nur im Einzelnutzen vorgenommen werden, bzw. es müssen elastische Platten als Ausgleich zwischen die Flächen der Presse gelegt werden, wenn mehrere Schaltungen gleichzeitig verpresst werden sollen.

Das Verpressen wird heute durch hydraulische, pneumatische oder mechanische Pressen vorgenommen und setzt voraus, dass die zu verpressenden Flächen flächig im Bereich der Klebefolie gedrückt werden können.

Die oben angegebenen Einschränkungen werden durch das im Folgenden beschriebene Verfahren (Erfindungsanspruch) gelöst.

Wie bereits angesprochen kann dieses Verfahren nicht nur auf ein- oder beidseitig bestückte Schaltungen vorteilhaft angewendet werden, sondern auch bei der Verpressung des unbestückten Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper generell.

II. Darstellung der Erfindung

Dem erfindungsgemässen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit oberflächenmontierbaren oder diskreten Bauteilen in Durchsteckmontage bestückten Schaltungsträger mittels einer beidseitig klebenden dünnen Folie mit einem Kühlkörper formschlüssig und frei von Luftblasen zu verkleben.

Das Verfahren baut auf dem beim Stand der Technik beschriebenen ersten Verfahrensschritt auf.

D. h. es geht davon aus, dass eine vorgestanzten Klebefolie auf den Kühlkörper positionsgenau und blasenfrei auflaminiert ist und zur weiteren Verarbeitung vorliegt. Die Klebefolie ist mit einer leicht abziehbaren Schutzfolie vor Beschädigungen und Fremdkörper geschützt. Der Kühlkörper kann in dieser Form von einem Zulieferer bezogen werden.

Das Verfahren beinhaltet folgende Verfahrensschritte und Vorrichtungen

1. Der Kühlkörper wird in einer Vorrichtung fixiert, die Deckfolie von der doppelseitigen Klebefolie abgezogen und der bestückte Schaltungsträger passgenau über dem Kühlkörper positioniert (z. B. durch federnde Stifte oder mit einem justierbaren Roboter).
2. Die Vorrichtung ist durch einen Deckel luftdicht verschließbar. Die Kammer wird evakuiert bis ein ausreichender Unterdruck erreicht ist. Der bestückte Schaltungsträger wird nun auf den Kühlkörper abgesenkt und an unbestückten Flächen des Schaltungsträgers und am Rand leicht angedrückt. Nach kurzer Zeit kann die Kammer wieder mit Luft geflutet werden.
3. Dieser Klebeverbund wird nun in eine Druckkammer gebracht. Über ein geeignetes flüssiges oder gasförmiges Medium wird nun ein isostatischer Druck auf die elektronische Baugruppe und den Kühlkörper aufgebracht. Vorteilhaft kann es sein, dass das Medium vorgewärmt ist. Über die Beaufschlagung mit Temperatur kann der Verpressdruck und die Verpresszeit reduziert werden. Auf diese Weise kann eine sichere, blasenfreie und formschlüssige Verklebung der Klebepartner erreicht werden.

Da dieser isostatische Druck von allen Seiten gleichmässig auf die Bauteile und den Schaltungsträger sowie den Kühlkörper einwirkt, werden die Bauteile nicht zerstört (sie halten i. d. R. hohe Drücke aus), die Lötstellen nicht belastet und die Klebepartner dennoch gleichmäßig aufeinander gepresst.

III. Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Das erfindungsgemässe Verfahren bezieht sich auf die vorpositionierte (Verfahrensschritt 1) im Unterdruck gefügt (Verfahrensschritt 2) und unter isostatischen Druck erreichte formschlüssige Verklebung (Verfahrensschritt 3) von einem Schaltungsträger (mit oder ohne Bauteile) und einem Kühlkörper mittels beidseitig klebender elastischer Folie. Die drei Verfahrensschritte sind ausschlaggebend für die gute und reproduzierbar herstellbare wärmeleitende Verbindung des elektronischen Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper.

Die Ausführung des Verfahrensschrittes 1. kann über ein optisches Erkennungssystem und schrittmotorgesteuerte Roboter automatisiert werden.

Die Ausführung des Verfahrensschrittes 2 kann durch einen geeignet gestalteten Deckel erfolgen, der über Dichtungen den Raum hermetisch abschließt. Ein Vakuumsystem mit ausreichender Kapazität kann den gewünschten Unterdruck in wenigen Sekunden herstellen. Das Fügen und Andrücken erfolgt nun mit dem Roboter im Unterdruck. Daraufhin kann sofort die Kammer belüftet werden.

Die Ausführung des Verfahrensschrittes 3 wird in einer entsprechend dimensionierten Druckkammer durchgeführt. Der Druck wird über eine geeignete (inkompressible, inerte) Flüssigkeit oder ein ausreichend inertes Gas z. B. Luft auf die im Verfahrensschritt 2 gefügte Schichtschaltung und den Kühlkörper aufgebracht. Dabei kann der Druck über einen Kompressor, eine Hydraulik oder direkt durch einen die Kammer einschliessenden Druckzylinder erzeugt werden. Nach ausreichender Dauer der Druckbeaufschlagung wird der Druck wieder weggenommen und die Teile aus der Druckkammer entfernt um neue einzuführen. Dies kann auch durch geeignete Roboter geschehen.

Das Verpressen bei einer geeigneten Temperatur ist ebenso über das Vorwärmen des Druckmediums in einer eigenen Kammer leicht und schnell möglich.

Ebenso können viele elektronische Schaltungen mit ihren Kühlkörpern oder zusammenhängende Nutzen von Schaltungsträgern mit ihren Kühlkörpern gemeinsam in der Druckkammer verpresst werden. Dieses Verfahren ermöglicht es somit eine grosse Anzahl von Schaltungen gleichzeitig in einer Kammer zu verpressen, z. B. durch Einführen ganzer Magazine in die Druckkammer.

Dieses Verfahren gestattet auch z. B. das einfache formschlüssige Verkleben von Leiterplatten, Folienschaltungen oder Hybridschaltkreise mittels beidseitig klebender gut wärmeleitender Klebefolien in Druckgußgehäuse ohne dass das Druckgußgehäuse plane Gegenfläche zum Pressen haben muß oder ein Temperaturprozess nötig ist um einen Kleber auszuhärten.

Claims

1. Verfahren zum formschlüssigen Verkleben von elektronischen Schaltungsträgern mit doppelseitig klebenden Klebefolien auf einem Kühlkörper dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung des im Vakuum vorgefügten Schaltungsträgers mit dem mit Klebefolie versehenen Kühlkörper durch Aufbringen eines isostatischen Druckes über ein Medium in einer Druckkammer geschieht.

2. Verfahren nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium flüssig oder gasförmig ist, z. B. inerte Flüssigkeit, Wasser oder Luft.

3. Verfahren nach Schutzanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schaltungsträger unbestückte Leiterplatten, Folien oder auf Keramik gedruckte Schaltungen sein können.

4. Verfahren nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schaltungsträger gedruckte Schaltungen sind, die einseitig oder beidseitig mit SMD-Bauteilen bestückt sind.

5. Verfahren nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium zum Übertragen des isostatischen Druckes durch Temperieren mit einer geeignete Temperatur beaufschlagt ist.