DE102006034600B4

DE102006034600B4 - Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung

Info

Publication number: DE102006034600B4
Application number: DE102006034600A
Authority: DE
Inventors: Alfred Kemper
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: US8698053B2; DE102006034600A1; US20080023530A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung mit folgenden Schritten:
– Bereitstellen zweier an einer vorgesehenen Fügestelle miteinander zu verbindender Lötpartner (10, 20, 7, 8), von denen zumindest einer ein elektronisches Bauelement (10, 20) umfasst oder als solches ausgebildet ist,
– Bereitstellen einer einen Induktor (50) aufweisenden Lötvorrichtung (100),
– Bereitstellen einer als Metallplatte oder als metallische Schicht ausgebildeten Zwischenplatte (51, 8) und eines thermisch mit dieser Zwischenplatte (51, 8) gekoppelten Temperatursensors (52a, 52b, 52c, 52d),
– Positionieren der Lötpartner (10, 20, 7, 8), des Induktors (50) und der Zwischenplatte (51) derart, dass die Zwischenplatte (51) zwischen dem elektronischen Bauelement (10, 20) und der vorgesehenen Fügestelle einerseits und dem Induktor (50) andererseits angeordnet ist,
– Verbinden der Lötpartner (10, 20, 7, 8) an der vorgesehenen Fügestelle in einer evakuierbaren Kammer (101, 102, 103, N, 110) bei einem Absolutdruck von kleiner oder gleich 800 hPa mittels eines Lotes...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung. Bei einem solchen Verfahren werden zwei Lötpartner an einer vorgesehenen Fügestelle mittels eines Lotes miteinander verbunden.
Speziell zum Löten elektronischer Bauelemente werden Anlagen eingesetzt, in denen die Bauelemente und das Lot in einer Kammer erwärmt werden. Die Erwärmung erfolgt in der Regel durch Wiederaufschmelzen (Reflowlöten), Gas-Konvektion, Infrarotstrahlung, Kondensation oder mittels Heizplatten.
Beim Löten mit Heizplatten gibt es zwei grundsätzliche Varianten. Bei einer ersten Variante wird das Lötgut losweise in eine Einkammeranlage eingefahren. In der Anlage befindliche Heizplatten werden beginnend bei Raumtemperatur aufgeheizt und erwärmen ihrerseits das Lötgut und das Lot. Nach dem Aufschmelzen des Lotes wird das Lötgut abgekühlt. Im Ergebnis entsteht eine dauerhafte Lötverbindung zwischen den Lötpartnern.
Nachteilig ist bei derartigen Verfahren die lange Prozesszeit, wodurch bestimmte Lötprofile, z. B. solche nach der JEDEC Norm, nicht eingehalten werden können.
Gemäß einer weiteren Variante wird der Lötprozess in einer Ein- oder Mehrkammeranlage gefahren.
Typischer Weise werden Dreikammeranlagen eingesetzt. Dabei wird in einer ersten Kammer die Umgebungsluft durch eine Schutzgasatmosphäre ersetzt, um eine Oxidation der Lötpartner zu vermeiden. In einer zweiten Kammer werden die Lötpartner und das Lot mittels Heizplatten bis über den Schmelzpunkt des Lotes erwärmt. In einer dritten Kammer schließlich erfolgt eine Abkühlung der Lötpartner unter Ausbildung einer dauerhaften Lötverbindung.
Alternativ können sowohl der Gasaustausch als auch die Erwärmung der Lötpartner und des Lotes mittels Heizplatten in einer ersten Kammer und das Abkühlen in einer zweiten Kammer erfolgen.
Bei allen Varianten erfolgt die Erwärmung der Lötpartner und des Lotes durch Kontaktwärme zwischen der Heizplatte einerseits und den Lötpartnern und dem Lot andererseits, sowie durch Konvektion der in der Kammer befindlichen Atmosphäre.
Um einen bestimmten zeitlichen Temperaturverlauf am Lötgut zu erreichen, wird dem Lötgut bei kontinuierlich beheizten Heizplatten durch wiederholtes An- und Abdocken des Lötgutes an die Heizplatte dosiert Energie zugeführt. Da die Heizplatten eine gegenüber der Löttemperatur erhöhte Temperatur aufweisen, lassen sich auf diese Weise auch steile Temperaturrampen am Lötgut erreichen.
Hierdurch kommt es am Lötgut kurzzeitig zu sehr starken Temperatursprüngen, was sich in einem treppen- oder sägezahnartigen artigen Verlauf der Temperatur am Lötgut widerspiegelt.
Bei einem großen Unterschied zwischen der Temperatur der Heizplatte und der Temperatur der Lötpartner besteht somit die Gefahr des thermischen Überschwingens im Scheitel des Temperaturprofils, wodurch das zu stark erhitzt und im Extremfall zerstört werden können. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist eine relativ aufwändige An- und Abdockmechanik erforderlich.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass durch das kontinuierliche starke Beheizen der Heizplatten ein erhöhter Energieverbrauch besteht.
Bei beiden Verfahren kann insbesondere beim Auflöten von bestückten Keramiksubstraten auf vorgekrümmte Bodenplatten für Leistungshalbleitermodule eine Gas-Konvektion zum Aufheizen der Bodenplatten erforderlich sein, da infolge der Krümmung nur ein schlechter direkter Wärmekontakt zwischen Bodenplatte und Heizplatte besteht.
Die Lötung in einer Gasatmosphäre weist jedoch den Nachteil auf, dass es zu Gaseinschlüssen im Lot, d. h. zur Bildung von Lunkern kommen kann. Infolge weiterer Erwärmung vergrößern sich die Volumina dieser Gaseinschlüsse. Dabei kann es zu einem Verspritzen und zu unkontrollierten Ablagerungen von Lot an benachbart zur Fügestelle befindlichen Bauteilen kommen.
Zwar könnte die Lunkerbildung durch Löten im Vakuum vermieden werden, allerdings stünde dann kein Gas zur konvektiven Wärmeübertragung von der Heizplatte an die Bodenplatte mehr zur Verfügung. Die Bodenplatte würde nur über ihre Kontaktstellen zur Heizplatte erwärmt, was jedoch eine stark ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Bodenplatte und damit sehr inhomogene und qualitativ unbefriedigende Lötverbindung zur Folge hätte.
Daneben wäre ein solches Verfahren mit sehr langen Aufheizzeiten verbunden, da die Wärmeübertragung nur an den Kontaktstellen zwischen der Bodenplatte und der Heizplatte erfolgen kann. In der Folge ließen sich nur sehr flache Temperaturrampen an der Bodenplatte erzeugen.
Die geschilderte Problematik besteht selbstverständlich nicht nur beim Löten gekrümmter Bodenplatten, sondern allgemein beim Löten von Lötgut mit unebener Oberfläche.
Anstelle der Verwendung von Heizplatten kann eine Lötung auch auf induktivem Weg erfolgen. So ist aus der DD 261 693 A1 eine Vorrichtung zum selektiven Induktionslöten eines vielpoligen elektronischen Aufsetz-Bauelementes bekannt. Hierzu wird ein Induktor verwendet, der wie eine kurze Spule mit zwei Teilwindungen aufgebaut ist. Der Induktor ist um das elektronische Aufsetz-Bauelement herum angeordnet, die Fügestelle befindet sich zwischen den beiden Teilwindungen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass durch den Induktor nicht nur die Fügestelle sondern auch das elektronische Aufsetz-Bauelement selbst erhitzt wird. Hierdurch kann es zu einer Zerstörung des Aufsetz-Bauelementes kommen.
Aus der US 4,983,804 A ist ein selektives Lötverfahren bekannt, bei dem Leiterbahnen eines flexiblen Schaltkreises an ihren mit Lötaugen versehenen Enden auf korrespondierende Lötaugen einer Leiterplatte aufgelötet werden. Zur Lötung werden der flexible Schaltkreis und die Leiterplatte zwischen zwei planaren Spulen angeordnet. Zwischen die auf der Seite der flexiblen Leiterplatte angeordnete Spule und die flexible Leiterplatte wird eine 0,2 mm dicke ferromagnetische Schicht eingebracht, die entweder nur den Bereich der Lötaugen oder die gesamte Oberfläche des flexiblen Schaltkreises bedeckt. Nach der Lötung, die als Induktivlötung unter Verwendung der beiden Spulen erfolgt, kann die ferromagnetische Schicht entfernt werden. Die Lötung ist dabei nur auf einen Teil der Leiterplatte beschränkt, um bereits auf einem anderen Teil der Leiterplatte vorhandene Lötstellen, nicht zu beeinträchtigen.
Die DE 10 2004 057 630 B3 betrifft ein induktives Lötverfahren, bei dem Anschlussflächen, welche auf die opake, elektrisch nicht leitfähig Beschichtung einer Scheibe aus Glas oder Kunststoff aufgebracht sind, mit metallischen Kontakten eines Mehrfach-Kontaktelementes verlötet werden. Zur Lötung ist eine Induktionsschleife oder -Spule vorgesehen, die einseitig auf der den Anschlussflächen gegenüberliegenden Seite der Scheibe angeordnet ist.
Die DE 198 09 722 A1 beschreibt ein Reflow-Lötverfahren zum Verbinden von elektronischen Bauelementen oder Baugruppen mit einem Substrat. Die Lötung kann unter Normaldruck, Überdruck oder bei verschiedenen Unterdruckstufen bis hin zum Hochvakuum ausgeführt werden.
Aus der DE 25 48 915 A1 ist ein Lötverfahren bekannt, bei dem auf eine Oberseite einer Trägerplatte aus einer Aluminiumoxidkeramik, die mit Dickschicht- oder Dünnschichtschaltungen versehen ist, Schaltelemente aufgelegt und an anzufertigenden Lötstellen verlötet werden. Die zur Lötung erforderliche Wärme wird mittels zweier linearer Infrarotstrahlungsquellen erzeugt. Der Trägerplatte kann ein Temperaturfühler zugeordnet werden, mit dessen Hilfe die Energiezufuhr steuerbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein insbesondere zum Löten gekrümmter Bodenplatten erzustellender Leistungshalbleitermodule geeignetes Verfahren bereitzustellen, bei dem ein für die Lötung vorgegebenes Temperaturprofil mit hohen Temperatursteilheiten genau und mit geringem Energieverbrauch eingehalten werden kann, und bei dem ein beteiligtes elektronisches Bauelement vor Zerstörung geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst zwei Lötpartner bereitgestellt, die an einer vorgegebenen Fügestelle miteinander zu verbinden sind. Bei den miteinander zu verbindenden Lötpartnern umfasst zumindest einer ein elektronisches Bauelement oder ist als solches ausgebildet. Beispielsweise kann es sich bei den Lötpartnern um Komponenten eines herzustellenden Leistungshalbleitermoduls handeln.
Außer den Lötpartnern werden auch noch eine Zwischenplatte, ein mit dieser thermisch gekoppelter Temperatursensor, sowie eine Lötverrichtung mit einem Induktor bereitgestellt.
Bei der Zwischenplatte, die als Metallplatte oder als metallische Schicht ausgebildet ist, kann es sich sowohl um eine Komponente eines Lötpartners als auch um eine von den Lötpartnern unab-hängige Komponente handeln. Die Zwischenplatte sorgt für eine Temperaturspreizung, d. h. für eine Gleichverteilung der Wärme.
Die Lötpartner, der Induktor und die Zwischenplatte werden dabei derart positioniert, dass die Zwischenplatte zwischen der vorgesehenen Fügestelle und dem Induktor angeordnet ist. Dabei bleiben die Lötpartner von dem Induktor beabstandet.
Anschließend werden die Lötpartner an der Fügestelle mittels eines Lotes miteinander verbunden. Hierzu wird das Lot mittels Energie, die von dem Induktor abgegeben wird, aufgeschmolzen, wobei dem Induktor ein von einem Generator erzeugter elektrischer Strom zugeführt wird, dessen Stärke und/oder Frequenz in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor ermittelten Temperatur geregelt wird.
Durch den Induktor werden in der Zwischenplatte Wirbelströme erzeugt, infolge derer sich die Zwischenplatte erhitzt, so dass das mit diesem in thermischem Kontakt stehende Lot aufschmilzt.
Zur Vermeidung einer Überhitzung kann der Induktor mit einer Kühlung, vorzugsweise einer Flüssigkeitskühlung, gekühlt werden. Als Kühlmittel eignet sich dabei Wasser, das auch mit Zusätzen versehen sein kann. Durch die Kühlung ist der Induktor einer wesentlich geringeren Temperaturwechselbelastung unterworfen als eine herkömmliche Heizplatte.
Nach dem Abkühlen des Lotes entsteht zwischen den Lötpartnern an der Stelle des abgekühlten Lotes eine Fügestelle, an der die Lötpartner fest und dauerhaft miteinander verbunden sind.
Die zwischen dem Induktor einerseits und dem Lot und der vorgesehenen Fügestelle andererseits angeordnete Zwischenplatte schirmt das elektronische Bauelement von dem in dem Induktor erzeugten magnetischen Feld ab und verhindert damit ein unerwünschtes Aufheizen dieses Bauelements.
Die Aufheizung des Lotes und der Lötpartner erfolgt also im Wesentlichen nicht unmittelbar durch den Induktor, sondern mittelbar über die vom Induktor erhitzte Zwischenplatte.
Der Induktor ist vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet, wobei die vorgesehene Fügestelle von dieser Ebene beabstandet ist.
Um eine ausreichende Abschirmwirkung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn sich die Zwischenplatte in jeder zu einer zur Normalenrichtung der Ebene senkrechten lateralen Richtung über das elektronische Bauelement hinaus erstreckt.
Die Zwischenplatte kann z. B. als Metallplatte oder als metallische Schicht ausgebildet sein. Im Allgemeinen handelt es sich bei der Zwischenplatte um eine von den Lötpartner unabhängige Komponente, die nach dem Aufheizen des Lotes wieder entfernt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Zwischenplatte jedoch auch ein Lötpartner selbst oder ein mit einem der Lötpartner fest verbundener Bestandteil sein. Als Beispiel für eine Zwischenplatte, die zugleich einen der Lötpartner darstellt, sei beispielsweise die Bodenplatte eines Leistungshalbleitermoduls genannt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei einem der Lötpartner um einen mit einer Metallisierungsschicht versehenen Keramikträger handeln. Der andere Lötpartner ist in diesem Fall vorzugsweise ein Leistungshalbleiterbauelement.
Um die Ausbildung von Gaseinschlüssen im Lot sowie ein Verspritzen von flüssigem Löt zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Lötpartner und die Fügestelle zumindest während des Aufschmelzen des Lotes in einer evakuierbaren Kammer anzuordnen. Das Aufschmelzen des Lotes in der evakuierbaren Kammer erfolgt bevorzugt im Vakuum bei einem Absolutdruck in der Kammer von vorzugsweise 0 hPa–800 hPa, bevorzugt kleiner oder gleich 10 hPa, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 hPa.
Da die der Zwischenplatte zugeführte Energie durch eine geeignete Veränderung, insbesondere durch ein An- oder Abschalten des den Induktor durchfließenden Stromes sehr schnell angepasst werden kann, erübrigt sich ein wiederholtes An- und Abdocken des Lötgutes an die Zwischenplatte. Während des Aufschmelzens des Lotes kann zwischen der Zwischenplatte und wenigstens einem der Lötpartner ein gleichbleibender Wärmeübergangswiderstand bestehen, ohne dass es zu einer Überhitzung des Bauelementes kommt.
Der zur Versorgung des Induktors erforderliche elektrische Strom wird mittels eines Generators erzeugt. Durch eine Steuerung oder eine Regelung der Stärke und/oder der Frequenz des elektrischen Stromes lässt sich auf einfache Weise der Energieeintrag in die Zwischenplatte anpassen und so ein gewünschtes Temperaturprofil abfahren.
Bei der Regelung der Stärke und/oder der Frequenz des elektrischen Stromes ist es besonders vorteilhaft, wenn an den Generator ein Temperatursensor angeschlossen ist, der thermisch mit der Zwischenplatte oder mit zumindest einem der Lötpartner gekoppelt ist.
Anstelle nur eines derartigen Temperatursensors können selbstverständlich beliebig viele Temperatursensoren vorgesehen sein, die an den Generator angeschlossen sind und die mit der Zwischenplatte und/oder mit einem der Lötpartner in thermischen Kontakt stehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellendes Leistungshalbleitermodul,
2–7 mehrere Schritte des Verfahrens zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls gemäß 1,
8 eine Ansicht der Anordnung gemäß den 2 oder 5 von der Unterseite,
9 einen Querschnitt durch einen Lötofen zur losweisen Herstellung von Lötverbindungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
10 einen Vertikalschnitt durch einen Lötofen mit einer Lötkammer sowie einer Ein- und einer Auslaufschleuse,
11, 12 zwei Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Lötverbindung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Zweikammer-Lötofen, der eine Heiz- und eine Kühlkammer aufweist,
13–18 mehrere Schritte zur Herstellung einer Lötverbindung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Mehrkammer-Durchlauflötofen, der eine Anzahl aufeinander folgend angeordnete Heizkammern sowie abschließend eine Kühlkammer aufweist,
19, 20 zwei Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Lötverbindung in einem Zonenlötofen mit einer Kammer, die eine Aufheizzone und eine Abkühlzone aufweist, und
21 eine Aufsicht auf einen zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einer der vorangehenden Figuren geeigneten Induktor,
22 eine erste Seitenaufsicht auf den Induktor gemäß 21,
23 eine zweite Seitenaufsicht auf den Induktor gemäß 21, und
24 eine perspektivische Ansicht des Induktors gemäß 21.
In den Figuren bezeichnen – sofern nicht anders angegeben – gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.
1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 1, bei dem unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Lotschichten 4b, 5b ausgebildete Lötverbindungen hergestellt werden sollen.
Das Leistungshalbleitermodul 1 weist ein Substrat 7 auf, das einen Keramikträger 70 umfasst, welcher auf der Unterseite mit einer Metallisierungsschicht 72, auf der Oberseite mit einer strukturierten Metallisierungsschicht 71 versehen ist. Optional kann die unterseitige Metallisierungsschicht 72 ebenfalls strukturiert sein.
Auf vorgegebene Abschnitte der strukturierten Metallisierungsschicht 71 sind Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, beispielsweise Dioden, IGBTs, MOSFETs oder beliebige andere Bauelemente mittels einer Lotschicht 4 aufgelötet.
Der Keramikträger 70, beispielsweise aus Aluminumoxid, ist mit den darauf befindlichen Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20 mittels einer weiteren Lotschicht 5b auf eine metallische Platte 8 aufgelötet, die die Bodenplatte eines Gehäuses 9 des Leistungshalbleitermoduls 1 bildet. Die Lötverbindungen 4b, 5b dieses Leistungshalbleitermoduls 1 können in einem Schritt oder auch nacheinander hergestellt werden.
In dem vorliegend montierten Zustand ist die Unterseite der Bodenplatte 8 eben, so dass das Leistungshalbleitermodul 1 mit der Bodenplatte 8 mit gutem direktem thermischem Kontakt auf einen Kühlkörper montiert werden kann.
Das Substrat 7 ist mit jedem der Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 sowie mit der Bodenplatte 8 an jeweils einer Fügestelle fest verbunden. Die Fügestellen umfassen die Lotschichten 4b bzw. 5b sowie die von diesen Lotschichten 4b bzw. 5b bedeckten Oberflächenbereiche der jeweiligen Lötpartner 10, 20, 7 bzw. 7, 8.
Zur Herstellung dieser Verbindungen wird Bezug nehmend auf 2 zunächst auf bestimmte Abschnitte der oberseitigen, strukturierten Metallisierungsschicht 71 des Substrats 7 ein Lot 4a, beispielsweise in Form einer Lötpaste, aufgebracht. Auf das Lot 4a wiederum werden die Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 aufgesetzt.
Um das Lot 4a aufzuschmelzen und dadurch eine Fügestelle zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20 einerseits und dem Substrat 7 andererseits herzustellen, ist eine Zwischenplatte 51, beispielsweise eine metallische Platte, vorgesehen, die mittels eines Induktors 50 durch Wirbelströme erwärmt wird.
Dabei befindet sich die Zwischenplatte 51 zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20, so dass diese von der Zwischenplatte 51 gegenüber dem Induktor 50 abgeschirmt sind.
Der Induktor 50 weist eine Anzahl von Schleifen auf und ist im Wesentlichen in einer Ebene E-E' angeordnet. In einer zu dieser Ebene E-E' senkrechten Normalenrichtung n sind zumindest die Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, vorzugsweise jedoch auch die Fügestelle und/oder die Zwischenplatte 51 vom Induktor 50 beabstandet.
Um zu erreichen, dass die Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 besonders gut durch die Zwischenplatte 51 abgeschirmt werden ist es vorteilhaft, wenn sich die Zwischenplatte in jeder zu der Normalenrichtung senkrechten lateralen Richtung über das elektronische Bauelement hinaus erstreckt, wie dies beispielhaft an der lateralen Richtung r1 gezeigt ist.
Des weiteren ist ein Temperatursensor 52a vorgesehen, der mit der Zwischenplatte 51 in thermischem Kontakt steht. Führt man dem Induktor 50 einen Wechselstrom zu, so erwärmt sich die Zwischenplatte 51 infolge der sich darin ausbildenden Wirbelströme. Die Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 sowie das Lot 4a stehen über das Substrat 7 mit der Zwischenplatte 51 in gutem thermischem Kontakt, so dass sich das Lot 4a bei ausreichend langer Stromzufuhr an den Induktor 50 sowie bei ausreichender Stromstärke erwärmt, bis es schließlich aufschmilzt.
Durch die im Gegensatz zur Zwischenplatte geringe thermische Masse von Keramiksubstrat 7 und Halbleiterbauelement ist die Temperatur in den Lötpartnern reproduzierbar nur um typischerweise 5°C niedriger als die Temperatur in der Zwischenplatte 51. Um diese Reproduzierbarkeit auch bei gebogenen Substraten 7 (die Verbiegung resultiert aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Metallisierung 71, 72 und der Keramik 70 der Substrate 7) sicherzustellen, werden die Substrate 7 während des Lötprozesses auf die Zwischenplatte 51 gedrückt.
Durch den Temperatursensor 52a kann die Temperatur der Zwischenplatte 51 überwacht und bei Bedarf eine Änderung der Stärke und/oder der Dauer und/oder der Frequenz des elektrischen Stromes verändert und damit ein vorgegebenes Temperaturprofil abgefahren werden.
Nach der Verflüssigung des Lotes 4a wird das Substrat 7 mit den darauf befindlichen Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20 auf eine Kühlplatte 55 gesetzt, so dass sich das erhitzte Lot 4a abkühlt und erstarrte Lotverbindungen 4b an der vorge sehenen Fügestelle entstehen, was im Ergebnis in 3 gezeigt ist.
Das Lötgut oder die Kühlplatte 55 kann insbesondere auch durch eine Kühlung des Induktors 50, beispielsweise durch eine Flüssigkeitskühlung, gekühlt werden.
Das mit den Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20 bestückte Substrat 7 ist mit dem Bezugszeichen 2 versehen. 4 zeigt das bestückte Substrat 2 nach dem Abheben von der Kühlplatte 55 gemäß 3.
Nachfolgend wird auf ähnliche Weise die in 1 gezeigte Lotschicht 5b gemäß 1 hergestellt. Bei den durch diese Lotschicht 5b fest miteinander zu verbindenden Lötpartnern handelt es sich um die Bodenplatte 8 gemäß 1 und das bestückte Substrat 2 gemäß 4.
Hierzu ist eine Lotschicht 5a gemäß 5 vorgesehen, die zwischen dem Substrat 7 des fertig bestückten Substrates 2 gemäß 4 und der Bodenplatte 8 angeordnet ist. Die Anordnung gemäß 5 entspricht in Bezug auf die herzustellende Lötverbindung der Anordnung gemäß 2, wobei im Unterschied zu dieser die Zwischenplatte 51 nach dem Lötvorgang nicht entfernt wird, sondern einen der Lötpartner in Form einer Bodenplatte 8 des herzustellenden Leistungshalbleitermoduls darstellt.
Auch bei der Anordnung gemäß 5 ist die Zwischenplatte 51 zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20 und dem Induktor 50 angeordnet. Sowohl die Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 als auch die vorgesehene Fügestelle 5a, sowie die Bodenplatte 8 sind in der Normalenrichtung n vom Induktor 50 beabstandet.
Die Temperatur der Bodenplatte 8 kann mittels eines damit in thermischem Kontakt stehenden Temperatursensor 52a überwacht und bei Bedarf durch die Stärke und/oder die Dauer und/oder die Frequenz des den Induktor 50 durchfliegenden Stromes geregelt werden, so dass selbst bei massereichem Lötgut mit hoher Wärmekapazität ein vorgegebenes Temperaturprofil mit sehr kurzen Aufheizzeiten gefahren werden kann.
Nach dem Aufheizen und Verflüssigen des Lotes 5a wird die Bodenplatte 8 mit dem darauf befindlichen bestückten Substrat 2 auf eine Kühlplatte 55 gemäß 6 aufgesetzt, so dass sich das verflüssigte Lot 5a abkühlt und eine erstarrte Lotschicht 5b entsteht.
Anstelle des oder zusätzlich zu dem Temperatursensor 52a gemäß den 2 und 5 können beliebig viele weitere Temperatursensoren 52b, 52c, 52d vorgesehen werden, die mit einem oder mehreren der Lötpartner zumindest während des Aufheizens der Zwischenplatte 51 in thermischem Kontakt stehen, um besonders temperaturempfindliche Bereiche und/oder Elemente der Lötpartner thermisch zu überwachen.
So dienen gemäß den 2 und 5 die Temperatursensoren 52b, 52c zur Überwachung der Temperaturen der Leistungshalbleiterbauelemente 10b bzw. 20 und der Temperatursensor 52d zur Überwachung der Temperatur des Substrates 7.
Nach dem Abheben von der Kühlplatte 55 liegt eine bestückte Bodenplatte 3 vor, wie sie in 7 gezeigt ist.
Alternativ zu der beschriebenen aufeinander folgenden Herstellung der Lötverbindungen 4b und 5b gemäß 1 können die Lötverbindungen 4b und 5b auch in demselben Lötschritt erzeugt werden. In diesem Fall wird als Zwischenplatte bevorzugt die Bodenplatte 8 eingesetzt.
8 zeigt eine Anordnung gemäß den 2 und 5 von unten. Die Ansicht zeigt die Zwischenplatte 51 gemäß 2 bzw. die Bodenplatte 8 gemäß 5, jeweils mit davor lie gendem Induktor 50. Der Temperatursensor 52a ist mittels einer Anschlussleitung 52a an einen Generator 54 angeschlossen. Die in 8 nicht erkennbaren Temperatursensoren 52b, 52c und 52d gemäß den 2 bzw. 5 sind mittels Anschlussleitungen 53b, 53c und 53d ebenfalls an dem Generator 54 angeschlossen.
Um die Zwischenplatte 51 bzw. die Bodenplatte 8 zu erwärmen, führt der Generator 54 dem Induktor 50 einen Wechselstrom zu. Mittels der Temperatursensoren 52a, 52b, 52c und 52d können die Temperaturen sowie Temperaturänderungen an relevanten Stellen der Lötpartner vom Generator 54 überwacht werden.
Erreicht oder überschreitet die von einem oder mehreren der Temperatursensoren 52a, 52b, 52c, 52d gemessene Temperatur einen jeweils vorgegebenen Temperaturgrenzwert oder lässt eine von einem oder mehreren der Temperatursensoren 52a, 52b, 52c, 52d gemessene Temperaturänderung auf das bevorstehende Erreichen oder Überschreiten eines jeweils vorgegebenen Temperaturgrenzwertes schließen, so kann die von dem Induktor 50 auf die Zwischenplatte 51, 8 übertragene Leistung durch eine Verringerung der Stärke und/oder eine Anpassung der Frequenz oder durch ein Abschalten des vom Generator 54 bereitgestellten Stromes reduziert werden. Auf diese Weise kann ein vorgegebenes Temperaturprofil gefahren werden, bei dem die beteiligten Lötpartner gegen eine thermische Überlastung geschützt sind.
Die anhand der 2 und 5 beschriebene Aufheizung des Lotes 4a bzw. 5a wird vorzugsweise in einer evakuierbaren Kammer vorgenommen, um eine Oxidation im Bereich der herzustellenden Fügestelle sowie die Ausbildung von Gaseinschlüssen im flüssigen Lot zu vermeiden.
9 zeigt einen Lötofen 100 (”Batch-Lötofen”) mit einer evakuierbaren Kammer 101. In der evakuierbaren Kammer 101 ist zur losweisen Herstellung von Lötverbindungen eine Anzahl übereinander liegender Ebenen mit jeweils einem Induktor 50 vorgesehen. Oberhalb eines jeden der Induktoren 50 ist Lötgut 6 angeordnet. Die Induktoren 50 sind vorzugsweise fest mit dem Lötofen 100 verbunden.
Bei dem Lötgut 6 kann es sich beispielsweise um Halbleiterbauelemente 10, 20 und Substrate 7 gemäß 2 handeln. In diesem Fall ist zwischen jedem Induktor 50 einerseits und den zugehörigen Halbleiterbauelementen 10, 20 und Substraten 7 andererseits eine vom Lötgut unabhängige Zwischenplatte 51 angeordnet.
Alternativ kann es sich bei dem Lötgut jedoch auch um bestückte Substrate 2 und damit zu verlötende Bodenplatten 8 gemäß 5 handeln. In diesem Fall werden die Zwischenplatten 51 durch die Bodenplatten 8 gebildet, welche Bestandteil des Lötgutes 6 sind, was in 9 durch die gestrichelten Linien bei dem Bezugszeichen 6 für das Lötgut angedeutet ist.
Die Herstellung der Lötverbindungen erfolgt in dem evakuierbaren Lötofen 100 so, wie anhand der 1 bis 8 beschrieben, wobei der Lötöfen 100 vor dem Anschalten oder während des Anschaltens der Induktoren 50 evakuiert wird.
Die ungewollte Erwärmung eines Leistungshalbleiterbauelements 10 eines herzustellenden Leistungshalbleitermoduls durch einen zu der darüber liegenden Ebene gehörigen Induktor 50 kann durch ausreichend groß gewählte Abstände oder durch dazwischen liegende Abschirmplatten vermieden werden.
Es ist vorteilhaft, wenn für jede Ebene ein oder mehrere Temperatursensoren vorgesehen sind, die – wie in den 2 und 5 gezeigt – mit vorgegebenen Stellen des Lötgutes 6 in thermischem Kontakt stehen.
Auf diese Weise können die Induktoren 50 der verschiedenen Ebenen individuell temperaturabhängig angesteuert werden, wie dies anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 8 erläutert wurde.
Aus Gründen der Übersicht wurde bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 auf die Darstellung der Temperatursensoren sowie des Generators und der dazugehörigen Anschlussleitungen verzichtet.
Zur Abkühlung kann das Lötgut 6 – vorzugsweise bei abgeschalteten Induktoren 50 – auf die jeweiligen Induktoren 50 aufgesetzt und unter Ausnutzung von deren Flüssigkeitskühlung abgekühlt werden.
10 zeigt einen Lötofen 100 mit einer Lötkammer 101, die zwischen einer Einlaufschleuse 104 und einer Auslaufschleuse 105 angeordnet ist.
Zum Beginn wird das Lötgut 6 zunächst in die Einlaufschleuse 104 eingebracht. Danach wird die Einlaufschleuse 104 mit einem Schutzgas, vorzugsweise Stickstoff oder ein Formiergas, nach ein- oder mehrmaligem vorherigem Evakuieren mit einem Schutzgas auf einen vorgegebenen Druck geflutet. Der Transport von einer Kammer in die folgende erfolgt vorzugsweise bei Atmosphärendruck, kann aber auch unter Vakuum stattfinden. In der Heizkammer 101 erfolgt das Aufheizen wie in 9 beschrieben.
Schließlich wird das Lötgut 6 zum Abkühlen in die – vorzugsweise evakuierte und geflutete – Auslaufkammer 105 verbracht. Nach dem Fluten der Auslaufkammer mit einem Schutzgas, vorzugsweise Stickstoff oder ein Formiergas, kann das fertig gestellte Lötgut 6 der Auslaufkammer 105 entnommen werden.
Die 11 und 12 zeigen einen Zweikammer-Lötofen 100 mit einer Heizkammer 101 und einer Kühlkammer 110, jedoch ohne Ein- und Auslaufschleuse.
Wie aus 11 ersichtlich ist, wird das Lötgut 6 zu Beginn in die Heizkammer 101 eingebracht. Nach dem Gasaustausch, d. h. nach ein- oder mehrmaligem Evakuieren und Fluten der Heizkammer 101 mit einem Schutzgas, wobei optional beim abschließenden Fluten oder Evakuieren ein vorgegebener Druck von vorzugsweise 0 hPa–800 hPa, bevorzugt kleiner oder gleich 10 hPa, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 hPa eingestellt wird, werden die Lötpartner 6 und das zu ihrer Verbindung erforderliche Lot bis zu dessen Verflüssigung wie voranstehend beschrieben unter Verwendung eines oder mehrerer Induktoren 50 sowie einer oder mehrerer Zwischenplatten 51, 8 aufgeheizt. Das Aufheizen kann unter einem definierten Druck von vorzugsweise 0 hPa–800 hPa, bevorzugt kleiner oder gleich 10 hPa, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 hPa oder unter Atmosphärendruck stattfinden.
Zum Abkühlen wird das Lötgut 6 nach dem Gasaustausch in die evakuierte oder ggf. mit einem Schutzgas auf einen definierten Druck geflutete Abkühlkammer 110 verbracht und thermisch mit einer Kühlplatte 55 kontaktiert, was aus 12 ersichtlich ist. Die Kühlplatte 55 kann durch die nicht dargestellte Kühlung des Induktors 50 gekühlt werden.
Die 13 bis 18 zeigen verschiedene Schritte bei der Herstellung einer Lötverbindung zwischen zwei Lötpartnern in einem Mehrkammer-Lötofen 100, der eine beliebige Anzahl N aufeinander folgend angeordneter Heizkammern 101, 102, 103, ...N sowie abschließend eine Kühlkammer 110 aufweist. Die erste Heizkammer 101 stellt zugleich eine Einlaufschleuse 104, die Kühlkammer 110 zugleich eine Auslaufschleuse 105 dar. Die einzelnen Kammern 101, 102, 103, ...N, 110 sind durch Schleusen gasdicht und druckunabhängig voneinander getrennt.
In jeder der Heizkammern 101, 102, 103, ...N befinden sich ein oder mehrere mit der jeweiligen Heizkammer 101, 102, 103, ...N fest verbundene Induktoren 50. Die Kühlkammer 110 weist einen oder mehrere fest mit der Kühlkammer verbundene Kühlplatten 55 auf.
Wie in 13 dargestellt ist, wird das Lötgut 6 zu Beginn des Lötprozesses in die erste Heizkammer 101 eingebracht.
Nach dem Gasaustausch, d. h. nach ein- oder mehrmaligem Evakuieren und Fluten der Heizkammer 101 mit einem Schutzgas, wobei optional beim abschließenden Fluten oder Evakuieren ein vorgegebener Druck von vorzugsweise 0 hPa–800 hPa, bevorzugt kleiner oder gleich 10 hPa, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 hPa eingestellt wird, werden die Induktoren 50 der ersten Heizkammer 101 aktiviert und das Lötgut 6 über die Zwischenplatte 51 auf eine vorgegebene Temperatur gebracht.
Anschließend durchläuft das Lötgut 6 nacheinander die jeweils zuvor evakuierten und ggf. mit Schutzgas auf einen definierten Druck geflutete Heizkammern 102, 103, ... N, wobei die Induktoren 50 einer jeder der Heizkammern 102, 103, ...N so angesteuert werden, dass das Lötgut 6 auf eine für die jeweilige Kammer vorgegebene Temperatur gebracht wird.
Auf diese Weise kann durch eine geeignete Ansteuerung der Induktoren 50 der Heizkammern 101, 102, 103, ...N sowie durch eine geeignete Ansteuerung der Durchlaufgeschwindigkeit des Lötgutes 6 durch die Heizkammern 101, 102, 103, ...N kann ein bestimmtes vom Lötgut 6 durchlaufenes Temperaturprofil eingestellt werden.
Nach dem Aufheizen und Verflüssigen des zur Lötung verwendeten Lotes wird das Lötgut 6 in die Kühlkammer 110 eingefahren und abgekühlt. Hierzu wird das Lötgut 6 thermisch mit einer Kühlplatte 55 kontaktiert, was im Ergebnis in 18 dargestellt ist. Die Kühlplatte 55 kann insbesondere durch eine Flüssigkeitskühlung gekühlt werden, durch die auch die Induktoren 50 gekühlt werden.
Die 19 und 20 zeigen einen als Zonen-Lötofen ausgebildeten Lötofen 100 mit einer Aufheizzone 106 und einer Abkühlzone 107. Der Gasaustausch erfolgt für beide Zonen 106, 107 vor Beginn des Lötprozesses durch ein- oder mehrmaliges Evakuieren und Fluten der Zonen 106, 107 mit einem Schutzgas, wobei optional beim abschließenden Fluten oder Evakuieren ein vorgegebener Druck von vorzugsweise 0 hPa–800 hPa, bevorzugt kleiner oder gleich 10 hPa, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 hPa eingestellt wird.
Eine Einlaufschleuse und eine Auslaufschleuse zum Austausch von Schutzgas sind nicht vorhanden, können jedoch optional vorgesehen werden.
Im Bereich der Aufheizzone 106 befinden sich ein oder mehrere vorzugsweise fest mit dem Lötofen 100 verbundene Induktoren 50, in der Abkühlzone 107 ein oder mehrere vorzugsweise fest mit dem Lötofen 100 verbundene Kühlplatten 55.
Zur Herstellung der Lötverbindungen wird das Lötgut 6 oberhalb des wenigstens einen Induktors 50 positioniert und der Lötofen 100 evakuiert.
Nach dem Aufschmelzen des zur Herstellung der Lötverbindungen des Lötgutes 6 erforderlichen Lotes in der Aufheizzone 106 wird das Lötgut 6 in die Abkühlzone 107 verbracht und auf die eine oder mehreren Kühlplatten 55 aufgesetzt und dadurch abgekühlt, was im Ergebnis in 20 gezeigt ist.
Bei allen vorangegangen Ausführungsbeispielen erfolgt der Lötvorgang insbesondere in Bezug auf die Anordnung der Löt partner, der Fügestellen, der Halbleiterbauelemente, der Induktoren und Zwischenplatten vorzugsweise so wie anhand der 1 bis 8 beschrieben.
Nach dem Evakuieren der Heiz-, Einlauf-, Auslauf- und Kühlkammern beträgt der Absolutdruck in den betreffenden Kammern vorzugsweise weniger als 1 hPa.
Insbesondere in den Fällen, in denen zum Löten eine vom Lötgut unabhängige Zwischenplatte verwendet wird, können sich mehrere zu verlötende Baugruppen auch eine gemeinsame Zwischenplatte teilen.
21 zeigt eine Aufsicht auf einen Induktor 50, wie er zur Anwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.
Der Induktor umfasst zwei identische Teilinduktoren 50a und 50b mit jeweils einer Anzahl von Induktorschleifen 50s. Die Induktorschleifen 50s eines jeden Teilinduktors 50a, 50b sind als hintereinander geschaltete, elektrisch leitende Rohre ausgebildet. Durch die Induktorrohre kann eine beliebige Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, hindurchgeführt und der Induktor somit gekühlt werden.
Abgesehen von den Enden 50e der Teilinduktoren, welche zugleich die elektrischen Anschlüsse als auch die Anschlüsse zur Zuführung der Kühlflüssigkeit darstellen, ist der Induktor 50 im Wesentlichen eben ausgebildet.
Die 22 und 23 zeigen noch verschiedene Seitenansichten, 24 eine Aufsicht auf den Induktor gemäß 21.

1: Leistungshalbleitermodul
2: bestücktes Substrat
3: bestückte Bodenplatte
4a: erste Lotschicht (vor dem Lötvorgang)
4b: erste Lotschicht (nach dem Lötvorgang)
5a: zweite Lotschicht (vor dem Lötvorgang)
5b: zweite Lotschicht (nach dem Lötvorgang)
6: Lötgut
7: Substrat
8: Bodenplatte
9: Gehäuse
10: Leistungshalbleiterbauelement
20: Leistungshalbleiterbauelement
50: Induktor
50a–b: Teilinduktor
50e: Enden des Teilinduktoren
50s: Induktorschleife
51: Zwischenplatte
52a–d: Temperatursensor
53a–d: Anschlussleitungen
54: Generator
55: Kühlplatte
70: Keramikträger
71: strukturierte Metallisierungsschicht
72: Metallisierungsschicht
100: Lötofen
101: erste Kammer
102: zweite Kammer
103: dritte Kammer
104: Einlaufschleuse
105: Auslaufschleuse
106: Aufheizzone
107: Abkühlzone
110: Kühlkammer
E-E': Ebene
n ⇀: Normalenrichtung
r ⇀1: erste laterale Richtung
r ⇀2: zweite laterale Richtung
N: Anzahl von Heizkammern

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung mit folgenden Schritten: – Bereitstellen zweier an einer vorgesehenen Fügestelle miteinander zu verbindender Lötpartner (10, 20, 7, 8), von denen zumindest einer ein elektronisches Bauelement (10, 20) umfasst oder als solches ausgebildet ist, – Bereitstellen einer einen Induktor (50) aufweisenden Lötvorrichtung (100), – Bereitstellen einer als Metallplatte oder als metallische Schicht ausgebildeten Zwischenplatte (51, 8) und eines thermisch mit dieser Zwischenplatte (51, 8) gekoppelten Temperatursensors (52a, 52b, 52c, 52d), – Positionieren der Lötpartner (10, 20, 7, 8), des Induktors (50) und der Zwischenplatte (51) derart, dass die Zwischenplatte (51) zwischen dem elektronischen Bauelement (10, 20) und der vorgesehenen Fügestelle einerseits und dem Induktor (50) andererseits angeordnet ist, – Verbinden der Lötpartner (10, 20, 7, 8) an der vorgesehenen Fügestelle in einer evakuierbaren Kammer (101, 102, 103, N, 110) bei einem Absolutdruck von kleiner oder gleich 800 hPa mittels eines Lotes (4a, 5a), welches durch von dem Induktor (50) abgegebener Energie aufgeschmolzen wird, indem dem Induktor (50) ein von einem Generator (54) erzeugter elektrischer Strom zugeführt wird, der in der Zwischenplatte (51, 8) Wirbelströme erzeugt und die Zwischenplatte (51, 8) dadurch erwärmt, und dessen Stärke und/oder Frequenz in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor (52a, 52b, 52c, 52d) ermittelten Temperatur geregelt wird, wobei die Lötpartner (10, 20, 7, 8) und das Lot (4a, 5a) aufgrund der Erwärmung der durch den Induktor (50) erhitzten Zwischenplatte (51, 8) erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Induktor (50) so angeordnet wird, dass er im Wesentlichen in einer Ebene (E-E') angeordnet und die vorgesehene Fügestelle in einer Normalenrichtung (n) der Ebene (E-E') von dem Induktor (50) beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Zwischenplatte (51, 8) so angeordnet wird, dass sie das elektronische Bauelement (10, 20) in jeder zu einer zur Normalenrichtung (n) der Ebene (E-E') senkrechten lateralen Richtung (r1, r2) überragt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zwischenplatte (8) einen Lötpartner (8) darstellt oder Bestandteil eines Lötpartners (8) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Zwischenplatte (51) die Grundplatte (8) eines herzustellenden Leistungshalbleitermoduls (1) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Lötpartner (7) ein mit einer Metallisierungsschicht (71, 72) versehener Keramikträger (70) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der andere Lötpartner ein Leistungshalbleiterbauelement (10, 20) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Lötpartner (10, 20, 7, 8) Teile eines herzustellenden Leistungshalbleitermoduls (1) sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Aufschmelzen des Lotes in der Kammer (101, 102, 103, N, 110) bei einem Absolutdruck von kleiner oder gleich 10 hPa erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Aufschmelzen des Lotes in der Kammer (101, 102, 103, N, 110) bei einem Absolutdruck von kleiner oder gleich 1 hPa erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Temperatursensor (52a, 52b, 52c, 52d) thermisch mit zumindest einem der Lötpartner (10, 20, 7, 8) gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Induktor (50) mit einer Flüssigkeit gekühlt wird.