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DE102016103213A1 - Vorrichtung, Verfahren und Anlage zur der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes - Google Patents

Vorrichtung, Verfahren und Anlage zur der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes Download PDF

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DE102016103213A1
DE102016103213A1 DE102016103213.1A DE102016103213A DE102016103213A1 DE 102016103213 A1 DE102016103213 A1 DE 102016103213A1 DE 102016103213 A DE102016103213 A DE 102016103213A DE 102016103213 A1 DE102016103213 A1 DE 102016103213A1
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cooling
heat
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conducting body
cavity
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DE102016103213.1A
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Stefan Fries
Björn Tauscher
Rudi Ludwig
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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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

  • 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 2011 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 11, 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 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
  • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands und eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands in seitlicher Ansicht.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 4 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Erstarrungsflächen eine Lötung während des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 6 und 7 zeigen dreidimensionale Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 7 mit dem zweiten flächigen Gegenstand.
  • 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.
  • 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 1 beschrieben der gesteuerten Erstarrung des Lots 26.
  • 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.
  • 4 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der erste Teilkörper 30 des Wärmeleitkörpers 3 gemäß 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.
  • 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. 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.
  • 6 und 7 zeigen dreidimensionale Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in 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 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011081606 A1 [0004]

Claims (12)

  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 (311) 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.
  11. 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 11, wobei die Lötanlage als Durchlauflötanlage mit einer Mehrzahl von Kammern ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung in einer Abkühlkammer angeordnet ist.
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