Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil und elektronische Baugruppe

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil, insbesondere einem Chip, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Baugruppe, die eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung aufweist.

Eine Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil, insbesondere einem Chip, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt. Dabei wird zwischen dem Trägerelement in Form eines Substrats und dem Chip eine großflächige Lötverbindung ausgebildet. Hierzu ist das elektronische Bauteil auf der dem Trägerelement zugewandten Seite vollflächig mit einer Metallisierung ausgestattet. Die Metallisierung dient der Anbindung einer zwischen der Metallisierung und dem Trägerelement angeordneten Füge- bzw. Verbindungsschicht, die insbesondere als Lotschicht ausgebildet ist. Eine derartige, vollflächige Metallisierung des Chip-Bauteils hat zur Folge, dass das elektronische Bauteil vollflächig mit der Füge- bzw. Verbindungsschicht verbunden ist.

Neue Verbindungstechnologien wie das Diffusionslöten und das Silbersintern stellen Fügetechnologien dar, die im Vergleich zu Fügetechnologien unter Verwendung von Weichlot als Füge- bzw. Verbindungsschicht deutlich steifere Fügeschichten erzeugen. Der Einsatz führt daher zu einer deutlich erhöhten thermomechanischen Beanspruchung der Fügepartner, bestehend aus elektronischem Schaltungsbauteil (Chip) und Trägerelement (Substrat), insbesondere zur Beanspruchung deren Grenzflächen und Metallisierungen. Häufig kommt es deshalb zu einem Versagen außerhalb der Fügeschicht.

Insbesondere wird dabei ein Grenzflächenversagen oder ein Metallisierungsabriss durch lokale Spannungsüberhöhungen an den Ecken und Kanten des elektronischen Bauelements festgestellt.

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil, insbesondere einem Chip, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine in Bezug auf die thermomechanische Beanspruchung robustere bzw. stabilere Verbindungsanordnung erzielt wird. Ziel ist es insbesondere, über die Lebensdauer betrachtet eine erhöhte Zuverlässigkeit der Verbindungsanordnung sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die erste Schicht (Metallisierungsschicht) das Schaltungsbauteil lediglich bereichsweise überdeckt, wobei zwischen der ersten Schicht und einer Randbegrenzung des Schaltungsbauteils auf der der ersten Schicht zugewandten Seite des Schaltungsbauteils in einer Randzone des Schaltungsbauteils ein zumindest bereichsweise von dem Material der ersten Schicht freier Bereich ausgebildet ist.

Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Metallisierungsschicht bzw. erste Schicht randseitig zumindest bereichsweise nicht bis zum Rand des Schaltungsbauteils heranreicht, sondern an den Randbereichen des Schaltungsbauteils zumindest bereichsweise keine Metallisierung ausgebildet wird. Dies hat zur Folge, dass beim Ausbilden der Verbindung über die zweite (Füge-)Schicht die Verbindung zwischen der zweiten Schicht und dem elektronischen Bauteil ebenfalls nur in dem Bereich der Metallisierung und somit nicht vollflächig über die gesamte Grundfläche des elektronischen Schaltungsbauteils ausgebildet wird. Eine derartige Ausbildung der Verbindungsanordnung bewirkt eine lokale Verbesserung der thermomechanischen Beanspruchung der Verbindungsanordnung und somit insbesondere eine höhere Zuverlässigkeit der Verbindungsanordnung über die Lebensdauer der Verbindungsanordnung betrachtet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.

Zur Erzielung der erwähnten Vorteile bzw. der Verringerung der thermomechanischen Beanspruchung ist es von besonderem Vorteil, wenn der Abstand zwischen der ersten Schicht und der Randbegrenzung des Schaltungsbauteils mehr als 100µm beträgt.

Darüber hinaus findet eine weitere Spannungsreduzierung im Übergangsbereich zwischen der ersten Schicht (Metallisierungsschicht) und dem Schaltungsbauteil statt, wenn die erste Schicht auf der der Randbegrenzung des Schaltungsbauteils zugewandten Seite eine Seitenfläche aufweist, die mit einem Winkel versehen ist, derart, dass die dem Schaltungsbauteil zugewandte Fläche der ersten Schicht größer als die dem Trägerelement zugewandte Fläche der ersten Schicht. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn der Winkel mehr als 60°, bezogen auf eine zur ersten Schicht angeordnete senkrechte Ebene, beträgt.

Als weiterhin vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Dicke der ersten Schicht (Metallisierungsschicht) mehr als 10µm beträgt.

Eine weitere Verbesserung des thermomechanischen Verhaltens der Verbindungsanordnung lässt sich erzielen, wenn die zweite Schicht in lediglich teilweiser Überdeckung mit der ersten Schicht angeordnet ist, derart, dass zwischen den beiden Randbereichen der beiden Schichten ein Abstand ausgebildet ist. Es findet somit, ausgehend von dem Trägerelement, ein stufenartiger Übergang in Richtung des elektronischen Bauteils statt. Bei der letztgenannter bevorzugten Weiterbildung bzw. Ausbildung der zweiten Schicht beträgt der seitliche Abstand zwischen den beiden Schichten vorzugsweise mehr als 100µm.

Eine nochmalige Verbesserung des thermomechanischen Verhaltens der Verbindungsanordnung lässt sich erzielen, wenn die erste Schicht in einem Eckbereich des Schaltungsbauteils mit einer Rundung ausgebildet ist. Auch dadurch lassen sich lokale Spannungsspitzen im Übergangsbereich zwischen den einzelnen Schichten und dem Schaltungsbauteil verringern.

Um über die gesamte Fläche des Verbindungsbereichs zwischen dem Trägerelement und dem elektronischen Schaltungsbauteil zumindest im Wesentlichen gleiche Spannungszustände zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn die Breite des freien Bereichs und ggf. des Abstands zwischen den beiden Randbereichen der beiden Schichten zumindest im Wesentlichen jeweils gleichmäßig groß ausgebildet ist.

In alternativer Ausgestaltung der Geometrie der ersten Schicht kann es auch vorgesehen sein, dass der freie Bereich in der ersten Schicht in Form von Aussparungen in der ersten Schicht ausgebildet ist.

Eine weitere Modifikation der Verbindungsanordnung betrifft die Ausbildung der zweiten Schicht, die als Füge- bzw. Verbindungsschicht zwischen dem Trägerelement und dem Schaltungsbauteil dient. Wesentlich dabei ist die Erkenntnis, dass es über den Bereich des Schaltungsbauteils Bereiche gibt, bei denen lokale Spannungsspitzen auftreten und Bereiche, die unabhängig von der Ausbildung der zweiten Schicht nahezu keine Spannungsspitzen aufweisen. Daher ist es in einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Schicht vorgesehen, dass die zweite Schicht zwei Bereiche unterschiedlicher Härte aufweist, wobei der Bereich der geringeren Härte Weichlot enthält. Es findet somit eine Art Hybridverbindung zwischen dem Trägerelement und dem elektronischen Schaltungsbauteil statt, wobei beispielsweise der Bereich der größeren Härte in der zweiten Schicht durch Metallpartikel, welche bei der Ausbildung der Verbindung versintern, die größere Härte aufweist.

In Weiterbildung des zuletzt genannten Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass der die größere Härte aufweisende Bereich im Bereich eines spannungsarmen Bereichs des Schaltungsbauteils angeordnet ist und von dem Material des weicheren Bereichs zumindest bereichsweise umgeben ist.

Die Erfindung umfasst auch eine elektronische Baugruppe, die eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung aufweist. Eine derartige elektronische Baugruppe weist ebenfalls die oben genannten Vorteile auf.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

1 und 2 in perspektivischer Ansicht bzw. in einem Teillängsschnitt eine Verbindungsanordnung zwischen einem Trägerelement und einem elektronischen Schaltungsbauteil in Form eines Chips gemäß dem Stand der Technik,

3 eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung in einem Teillängsschnitt und

4 bis 6 jeweils in Unteransicht das bei einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung verwendete elektronische Schaltungsbauteil bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Verbindungsanordnung.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In den 1 und 2 ist eine Verbindungsanordnung 100 zwischen einem Trägerelement 1, insbesondere in Form eines Substrats, und einem elektronischen Schaltungsbauteil 2, insbesondere einem eine elektronische Schaltung aufweisenden Chip, gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Eine derartige Verbindungsanordnung 100 bildet eine elektronische Baugruppe 10 aus, die beispielhaft, und nicht einschränkend, Bestandteil eines elektronischen Steuergeräts in einem Kraftfahrzeug sein kann.

Die Verbindungsanordnung 100 umfasst eine mit dem Schaltungsbauteil 2 verbundene erste Schicht 101 in Form einer Metallisierung und eine als Füge- bzw. Verbindungsschicht dienende zweite Schicht 102. Beim Stand der Technik sind die beiden Schichten 101, 102 jeweils derart ausgebildet, dass diese zumindest in vollständiger Überdeckung mit dem Schaltungsbauteil 2 angeordnet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die erste Schicht 101 im Bereich des Schaltungsbauteils 2 vollflächig auf der dem Trägerelement 1 zugewandten Seite des Schaltungsbauteils 2 aufgebracht ist bzw. dieses überdeckt. Darüber hinaus ist anhand der 1 erkennbar, dass das elektronische Schaltungsbauteil 2 beispielhaft eine quadratische Grundfläche aufweist.

In der 3 ist eine erste erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 100 zwischen dem Trägerelement 1 und dem elektronischen Schaltungsbauteil 2 dargestellt. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 100 unterscheidet sich von der Verbindungsanordnung 100 gemäß dem Stand der Technik durch eine andersartige Ausbildung bzw. Geometrie der beiden Schichten 11, 12. Hierbei entspricht die erste Schicht 11 funktional der ersten Schicht 101 und die zweite Schicht 12 der zweiten Schicht 102 bei der Verbindungsanordnung 100 gemäß dem Stand der Technik.

Die erste Schicht 11, die als Metallisierungsschicht ausgebildet ist und eine Dicke von mehr als 10µm aufweist, überdeckt das Schaltungsbauteil 2 auf der dem Trägerelement 1 zugewandten Seite das Schaltungsbauteil 2 nicht vollflächig, sondern im Bereich einer Randzone unter Ausbildung eines von dem Material der ersten Schicht 1 freien Bereichs 15. Insbesondere ist anhand der 2 erkennbar, dass in horizontaler Richtung betrachtet zwischen der ersten Schicht 11 und einer Randbegrenzung 16 des Schaltungsbauteils 2 der freie Bereich 15 eine Breite a von mehr als 100µm aufweist. Weiterhin ist anhand der 2 erkennbar, dass die dem Randbereich 16 zugewandte Seitenfläche 17 der ersten Schicht 11 in einem Winkel α von mehr als 60°, bezogen auf eine vertikale Ebene 18, angeordnet ist. Dies hat zur Folge, dass die Fläche der ersten Schicht 11 auf der dem Schaltungsbauteil 2 zugewandten Seite eine größer ist als die Fläche auf der der zweiten Schicht 12 zugewandte Seite der ersten Schicht 11.

Weiterhin endet die zweite Schicht 12 in einem Abstand b von der ersten Schicht 11. Insbesondere beträgt der Abstand b zwischen einer vorzugsweise mit einer Rundung oder einem Winkel β versehenen Randbegrenzung 21 der zweiten Schicht 12 und der ersten Schicht 11 auf der der zweiten Schicht 12 zugewandten Seite mehr als 100µm. Die Dicke der zweiten Schicht 12 beträgt vorzugsweise zwischen 10µm und 200µm.

4 zeigt eine Unteransicht auf die erste Schicht 11 bzw. das Schaltungsbauteil 2. Hierbei ist insbesondere erkennbar, dass der Abstand a im freien Bereich 15 über die gesamte Grundfläche der ersten Schicht 11 bzw. des Schaltungsbauteils 2 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig groß ausgebildet ist. Lediglich im Bereich der Ecken 4 des Schaltungsbauteils 2 weist die erste Schicht 11 gerundete Ecken 22 bzw. Rundungen auf, in denen der Abstand a zur Randbegrenzung 16 des Schaltungsbauteils 2 größer ausgebildet ist.

In der 5 ist eine gegenüber der 4 abgewandelte Ausbildung der ersten Schicht 11a erkennbar. Hierbei weist die erste Schicht 11a im Bereich der Randzone des Schaltungsbauteils 2 Aussparungen 24 auf, in denen kein Material der ersten Schicht 11a vorhanden ist. Jedoch reicht das Material der ersten Schicht 11a bis an den Randbereich 16 des Schaltungsbauteils 2 in Form eines dünnen, umlaufenden Streifens 25 heran.

6 zeigt eine Unteransicht des Schaltungsbauteils 2 bei einer nochmals abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei der lediglich die zweite Schicht 12a, jedoch nicht die erste Schicht 11, 11a erkennbar ist. Insbesondere erkennt man einen ersten Bereich 31 der zweiten Schicht 12a, der kreisförmig ausgebildet ist und in einem zentralen Bereich des Schaltungsbauteils 1 angeordnet ist. Der erste Bereich 31 der zweiten Schicht 12a ist von einem oder mehreren ringförmigen Bereichen 32 umgeben. Wesentlich dabei ist, dass das Material des ersten Bereichs 31 härter ist als das Material des bzw. der zweiten Bereiche 32. Insbesondere kann das Material des ersten Bereichs 31 Metallpartikel aufweisen, die infolge einer Wärmebehandlung beim Ausbilden der Verbindungsanordnung 100 versintern. Demgegenüber kann der zweite Bereich 32 insbesondere Weichlot enthalten. Die Anordnung der Bereiche 31, 32 erfolgt derart, dass der aus dem härteren Material bestehende Bereich 31 in einer Zone des Schaltungsbauteils 2 angeordnet ist, in dem relativ geringe Spannungen auftreten, während in den Zonen, in denen der zweite Bereich 32 angeordnet ist, höhere (mechanische) Spannungen auftreten.

Die soweit beschriebene erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.