Beschreibung

Titel Baugruppe mit geklebtem Leistungsbaustein

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Baugruppen der eingangs genannten Art werden unter anderem in Lichtmaschinenreglern von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der zwischen dem elektronischen Bauelement, bei Lichtmaschinenreglern einer integrierten

Schaltung (IC), und dem Kühlkörper angeordnete Leistungsbaustein dient dort dazu, die im Betrieb von der integrierten Schaltung erzeugte Wärme möglichst schnell und unter Wärmespreizung in den Kühlkörper abzuführen. Der Leistungsbaustein besteht daher vorzugsweise aus Kupfer, das eine exzellente Wärmeleitfähigkeit besitzt. üblicherweise wird das elektronische Bauelement entweder durch Kleben oder Löten an der benachbarten Oberseite des Leitungsbausteins befestigt, während die Unterseite des Leistungsbausteins durch Kleben am Kühlkörper fixiert wird.

Jedoch bereitet Kupfer beim Kleben Schwierigkeiten und zeigt insbesondere unter feuchten Umgebungsbedingungen an der Grenzfläche zum Klebstoff eine mit der Zeit deutlich abnehmende Haftfestigkeit. Beispielsweise führt der zur Untersuchung der Scherfestigkeit einer Klebeverbindung nach einer bestimmten Verweilzeit unter vorgegebenen Druck- und Feuchtigkeitsbedingungen dienende sogenannte Pressure Cooker Test im Falle einer Klebeverbindung zwischen einem aus Kupfer bestehenden Leistungsbaustein und einem aus Aluminium bestehenden Kühlkörper häufig bereits nach wenigen Stunden zu einem vollständigen Ablösen des Klebstoffs vom Leistungsbaustein. Da dies im Betrieb zu einem Ausfall der Lichtmaschine und einer Störung der Stromversorgung des

Kraftfahrzeugs führen würde, wird eine Verlängerung der Lebensdauer der Klebeverbindung angestrebt.

In der DE 197 22 355 A1 der Anmeldehn ist bereits eine Baugruppe der eingangs genannten Art beschrieben, bei der sowohl zur Fixierung des elektronischen Bauelements am Leistungsbaustein als auch zur Fixierung des Leistungsbausteins an dem aus Eisen oder Aluminium bestehenden Kühlkörper ein wärmeleitender Klebstoff verwendet wird. Um ein Eindringen von Feuchtigkeit zwischen das Kupfer des Leitungsbausteins und den Klebstoff zu verhindern, wird vorgeschlagen, das elektronische Bauelement bzw. den Leistungsbaustein nach einer Vorhärtung des Klebstoffs mit einem Gel zu umhüllen und nach einem Vergelungsprozess das Gel und den Klebstoff zusammen in einem Ofenprozess zu härten. Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwändig.

Weiter ist es auch bekannt, die zum elektronischen Bauelement benachbarte Oberseite des Leistungsbausteins zum Festkleben oder Löten des elektronischen Bauelements und zur Drahtbondung mit Nickel zu überziehen. Jedoch erfordert eine Vernickelung den Einsatz galvanischer Bäder und nachgeschalteter Reinigungsprozesse, wodurch relativ hohe Kosten verursacht werden.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung dahingehend zu verbessern, dass sich die Klebeverbindung zwischen dem Leistungsbaustein und dem Kühlkörper ohne eine Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit des Leistungsbausteins leichter herstellen lässt und selbst unter feuchten Bedingungen eine ausgezeichnete Haftfestigkeit und eine lange Lebensdauer besitzt.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Baugruppe dadurch gelöst, dass der Leistungsbaustein auf der zum Kühlkörper benachbarten Seite mindestens

teilweise mit einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bedeckt bzw. überzogen ist, deren Oberfläche im Kontakt mit dem Klebstoff steht. In Versuchen hat sich gezeigt, dass durch eine solche Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung die Herstellung der Klebeverbindung erleichtert und deren Haftfestigkeit auch unter feuchten Umgebungsbedingungen ohne eine Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit am übergang vom Leistungsbaustein zum Kühlkörper über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten werden kann.

Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, eine solche Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ohne das Erfordernis eines galvanischen Verfahrens durch Walzplattieren auf ein zur Fertigung von Leistungsbausteinen dienendes Halbzeug aufzubringen. Dadurch können die nachfolgenden Fertigungsschritte im Wesentlichen unverändert bleiben.

Um ein Verschmieren der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bei den nachfolgenden Fertigungsschritten, zum Beispiel beim Ausstanzen der Leistungsbausteine, zu verhindern, wird die Schicht vorzugsweise nur auf diejenigen Teile des Halbzeugs aufgebracht, wo sich auf den späteren Leistungsbausteinen die Klebeverbindungen, Befestigungspunkte für Bonddrähte und/oder andere Funktionsbereiche befinden sollen, während andere Bereiche der Leistungsbausteine, wo diese geführt oder fixiert werden sollen, nicht mit der Schicht überzogen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schicht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, die sich durch Walzplattieren in einer Schichtdicke von 5 bis 100 μm und vorzugsweise von 10 bis 50 μm auf die für einen anschließenden Klebstoffauftrag vorgesehenen Oberflächenbereiche des Halbzeugs aufbringen lässt.

Wenn das Halbzeug gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Walzplattieren geglüht wird, bildet sich im Bereich der Grenzfläche zwischen der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und dem Kupfer des Halbzeugs eine Diffusionsschicht aus, die zu einer Stabilisierung der Schicht auf dem Kupfer führt. Das Glühen wird zweckmäßig solange fortgesetzt, bis die Diffusionsschicht eine Schichtdicke von

0,2 bis 10 μm und vorzugsweise von 0,5 bis 8 μm erreicht, was sich in zahlreichen Grenzflächenuntersuchungen als ausreichend für eine gute Stabilisierung der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf der Oberfläche des Leistungsbausteins aus Kupfer erwiesen hat.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung nicht nur auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Leistungsbausteins aufzubringen, sondern auch auf der Seite, die zu dem elektronischen Bauelement benachbart ist, zum Beispiel als Ersatz für eine bisher vorgesehene Nickelschicht. Im Unterschied zu einer Nickelschicht kann die Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Walzplattieren und damit ohne die mit einem galvanischen Verfahren verbundenen Nachteile, wie das Erfordernis nachgeschalteter Reinigungsprozesse, die Kontrolle der Sauberkeit der Klebeflächen oder die Entsorgung der galvanischen Bäder aufgebracht werden. Zudem erlaubt es das Walzplattieren, das zur Fertigung des Leistungsbausteins dienende Halbzeug auf beiden Seiten gleichzeitig mit der Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu versehen. Diese Schichten dienen dann als Klebstoffauftragsfläche zum Aufkleben auf den Kühlkörper bzw. zum Aufkleben des elektronischen Bauelements, wobei sie auf der Seite des elektronischen Bauelements darüber hinaus auch zur Drahtbondung dienen können, wenn das elektronische Bauelement bzw. andere Bauelemente durch Bonddrähte mit dem Leistungsbaustein verbunden werden. Die beidseitige Beschichtung des Leistungsbausteins mit demselben Material, d.h. dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung, verringert darüber hinaus das Risiko einer Bildung eines galvanischen Elements.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Baugruppe;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil des Halbzeugs bzw. eines Leistungsbausteins;

Fig. 4 einen Anschliff eines Leistungsbausteins entsprechend der Schnittansicht aus Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein walzplattiertes Halbzeug zur Herstellung des Leistungsbausteins.

Ausführungsformen der Erfindung

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Baugruppen 2 für einen Regler einer Lichtmaschine bestehen im Wesentlichen aus einem integrierten Schaltkreis (IC) 4 zur Steuerung der Lichtmaschine, einem aus Aluminium bestehenden Kühlkörper 6 zum Abführen der im Betrieb vom IC 4 erzeugten Wärme, sowie einem zur Wärmespreizung und zur Beschleunigung der Wärmeabfuhr zwischen den IC 4 und den Kühlkörper 6 eingesetzten Leistungsbaustein 8 aus Kupfer. Der IC 4 ist auf die Oberseite des Leistungsbausteins 8 geklebt oder gelötet, während der Leistungsbaustein 8 mit seiner Unterseite auf den Kühlkörper 6 geklebt ist. Die Baugruppen 2 eignen sich jedoch nicht nur für Regler von Lichtmaschinen, sondern können auch an anderer Stelle eingesetzt werden.

Da sich Kupfer zum einen schlecht kleben lässt und zum anderen eine Klebeverbindung zwischen dem Leistungsbaustein 8 und dem Kühlkörper 6 mit üblicherweise als Serien klebstoff verwendeten Klebstoffen 10 auf Silikonbasis (z.B. Q1 -9226 von Dow Corning oder Semicosil® 988 1 K von Wacker Chemie) insbesondere unter feuchten Bedingungen wegen eines Versagens der Adhäsion der Klebstoffe 10 am Kupfer des Leistungsbausteins 8 häufig eine begrenzte Lebensdauer aufweist, ist der Leistungsbaustein 8 auf seiner dem Kühlkörper 6 zugewandten Unterseite zum Teil mit einer Beschichtung 12 aus AISiI versehen, deren Oberfläche an Stelle des Kupfers im Kontakt mit dem Klebstoff 10 steht.

Während die Oberseite des Leistungsbausteins 8 in Fig. 1 mit einer galvanisch aufgebrachten Nickelschicht 14 versehen ist, auf die der IC 4 mittels eines Leit- Klebstoffs 16 aufgeklebt ist, ist der in Fig. 2 dargestellte Leistungsbaustein 8 auch auf seiner Oberseite mit einer Beschichtung 18 aus AISiI versehen, die als Ersatz für die Nickelschicht 14 zum Festkleben des IC 4 auf dem Leistungsbaustein 8 und zur Befestigung eventueller Bonddrähte (nicht dargestellt) durch Drahtbonden dient.

Sowohl die auf der Unterseite des Leistungsbausteins 8 angeordnete AISM - Schicht 12 (Fig. 1 und 2) als auch die auf der Oberseite des Leistungsbausteins 8 angeordnete AISiI -Schicht 18 (Fig. 2) wird mittels eines Walzplattierverfahrens mit einer Schichtdicke von 10 bis 50 μm auf ein aus Kupfer 22 bestehendes, zur Herstellung des Leistungsbausteins 8 dienendes Halbzeug 20 (Fig. 5) aufgebracht, wobei die Beschichtung entweder nur auf einer Seite (Fig. 1 ) oder gleichzeitig auf beiden Seiten (Fig. 2) erfolgen kann.

Nach der Beschichtung wird das mit dem AISiI 12 bzw. 12 und 18 beschichtete Kupfer-Halbzeug 20 geglüht, um die Schicht 12 bzw. die Schichten 12 und 18 aus AISiI auf dem Halbzeug 20 zu stabilisieren. Die Stabilisierung wird durch die Ausbildung einer in Fig. 3 und 4 am Beispiel der AISiI -Schicht 12 dargestellten Diffusionszone 24 zwischen dem Kupfer 22 und dem AISiI 12 an der Unterseite des Halbzeugs 20 bewirkt, die nach dem Glühen eine Dicke D von mehr als 0,5 μm und vorzugsweise von etwa 3 μm aufweisen sollte.

Um beim anschließenden Ausstanzen der Leistungsbausteine 8 aus dem beschichteten Kupfer-Halbzeug 20 ein Verschmieren der zuvor durch das Walzplattieren aufgebrachten AISiI -Schicht 12 bzw. der AISiI -Schichten 12 und 18 zu vermeiden, wird das Halbzeug 20 auf seiner Ober- bzw. Unterseite zweckmäßig nur in einem als Kontaktfläche für den Klebstoff 10 bzw. 16 bzw. als Kontaktfläche für eventuelle Bonddrähte dienenden Funktionsbereich mit AISiI beschichtet, wie in Fig. 5 am Beispiel eines nach der Beschichtung bereits mit ICs 4 bestückten Abschnitts eines schmalen Halbzeugs 20 dargestellt. Bei diesem Halbzeug 20 wurde beim Walzplattieren der Oberseite nur ein Bereich unterhalb der ICs 4 und um diese herum mit dem AISiI 18 beschichtet, während

zwei unterbrochene, zur Herstellung von Montageführungen dienende oder Fixierpunkte enthaltende Bereiche entlang der beiden entgegengesetzten Längsseitenränder des Halbzeugs 20 aus unbeschichtetem Kupfer 22 bestehen.

Die aus einem solchen Halbzeug 20 mit einer AISiI -Schicht 12 bzw. mit AISM- Schichten 12 und 18 hergestellten Leistungsbausteine 8 ließen sich bei Verwendung üblicher Serien klebstoff 10 auf Silikonbasis nicht nur leichter als Leistungsbausteine 8 mit Kupferoberflächen auf die aus Aluminium bestehenden Kühlkörper 6 aufkleben, sondern zeigten nach dem Aufkleben und nach einer Durchführung des Pressure Cooker Tests auch eine wesentliche höhere

Festigkeit gegen Abscheren. Infolge der Fertigung des Leistungsbausteins 8 aus Kupfer blieb weiterhin eine gute Wärmeabfuhr und Wärmespreizung gewährleistet, die durch die dünnen Schichten 12, 18 aus AISiI keinerlei Beeinträchtigung erfuhr.