Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik elektronischer Schaltungen. Sie betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung mit wenigstens einem elektronischen Bauelement gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Schaltungsanordnung.
Stand der Technik
[0002] Dickschichtpasten werden seit langer Zeit auf Keramiksubstrate aus AI2O3 oder AIN mittels Siebdruck aufgebracht. Die Schichten werden danach getrocknet und bei hohen Temperaturen, z.B. 850[deg.]C, eingebrannt. Alternativ können auch andere Substrate verwendet werden, welche den Einbrennprozess bei 850[deg.]C überstehen, wie beispielsweise Stahl oder Kupfer. Auch die Dickschicht-auf-Stahl-Technologie (TFS Thick Film on Steel) ist ausgereift und wird seit längerer Zeit für Heizelemente eingesetzt (Teekocher usw.).
[0003] Aus der EP-A2-1 598 591 ist eine LED-Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein mit einer Isolationsschicht bedecktes Metallsubstrat aus Aluminium oder Magnesium oder einer Legierung dieser Metalle eingesetzt wird. Auf das isolierte Metallsubstrat werden dabei Leiterbahnen in Dünnschicht- oder Dickschichttechnologie aufgebracht. Die Wärme der Leistungs-LEDs wird über das Substrat abgeführt und auf der Rückseite über Kühlrippen an die Umgebung abgegeben.
[0004] Aus der WO-A1-2004/107 443 ist ein isoliertes Metallsubstrat (Insulated Metal Substrate IMS) mit einer Leistungs-LED bekannt, das aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder Kupfer besteht und mit einer als Reflektor wirkenden Vertiefung versehen ist, innerhalb derer die LED montiert ist. Auf das Substrat ist eine Isolierschicht und auf die Isolierschicht sind Leiterbahnen aufgebracht.
[0005] Nachteilig ist bei den bekannten Schaltungsanordnungen, dass sie entweder vergleichsweise aufwändig in der Herstellung und teuer sind, oder nicht flexibel genug an den jeweiligen Anwendungsfall (z.B. bei Leistungs-LEDs als Fahrzeugbeleuchtung) angepasst werden können. Schwierigkeiten ergeben sich zudem bei der Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats und der darauf angeordneten Halbleiterbauelemente, die beispielsweise eine Chip-on-Board-Montage nicht zulassen.
Darstellung der Erfindung
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Schaltungsanordnung, insbesondere für Leistungs-LEDs, zu schaffen, die einfach und kostengünstig und auch in Grossserie herzustellen ist, flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann, und sich durch gute thermische Eigenschaften und die Eignung für die unterschiedlichsten Arten der Bauelement-Montage auszeichnet. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltungsanordnung anzugeben.
[0007] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, bei einer mit elektronischen Bauelementen bestückten Schaltungsanordnung ein Trägersubstrat aus einem Stahl vorzusehen, welches zumindest auf einer Seite zumindest teilweise mit einer Isolations-Dickschicht bedeckt ist, auf welcher zur Bildung von Leiterbahnen Leiter-Dickschichten aufgebracht sind.
[0008] Gemäss einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung ist das Trägersubstrat ein Stahlblech. Insbesondere weist das Trägersubstrat eine Dicke zwischen 20 [micro]m und 6 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm, auf.
[0009] Es hat sich dabei als besonders günstig erwiesen, dass das Trägersubstrat aus einem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4016 oder 1.4301 nach EN 10088-1: 2005-09 besteht.
[0010] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolations-Dickschicht aus einer dielektrischen Paste besteht, die unter hoher Temperatur, insbesondere 850 [deg.]C, eingebrannt ist. Insbesondere kann diese Paste, z.B. bei optischen Anwendungen (LEDs etc.) aus Gründen der Reflektion, weiss sein.
[0011] Entsprechend besteht die Leiter-Dickschicht aus einer Leiter-Paste, insbesondere auf Silberbasis, die unter hoher Temperatur, insbesondere 850[deg.]C, eingebrannt ist.
[0012] Die Dicke der Isolations-Dickschicht bzw. der Leiter-Dickschicht beträgt vorzugsweise zwischen 20 [micro]m und 120 [micro]m.
[0013] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine elektronische Bauelement ein SMD-Bauelement.
[0014] Vorzugsweise ist das wenigstens eine elektronische Bauelement eine LED.
[0015] Aufgrund der angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist es insbesondere möglich, dass das wenigstens eine elektronische Bauelement ein direkt auf dem Schaltungsträger montierter Halbleiterchip ist.
[0016] Der Verbund aus Stahl und darauf aufgebrachten Dickschichten ermöglicht es auf einfache Weise, dass der Schaltungsträger eine von der ebenen Form abweichende dreidimensionale Form aufweist. Die dreidimensionale Form kann insbesondere Biegungen des Schaltungsträgers umfassen.
[0017] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Pastenschicht und/oder die Leiter-Pastenschicht mittels Siebdruck auf das Trägersubstrat aufgebracht werden.
[0018] Zur Anpassung an spezielle Anwendungen kann der Schaltungsträger nach dem Aufbringen der Schichten dreidimensional verformt werden.
Kurze Erläuterung der Figuren
[0019] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>in einer Schnittdarstellung eine elektronische Schaltungsanordnung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
<tb>Fig. 2<sep>in einer perspektivischen Darstellung eine dreidimensional verformte Schaltungsanordnung gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0020] Fig. 1 zeigt den Schnitt durch eine Schaltungsanordnung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsanordnung 10 ist auf einem Trägersubstrat 11 aus Stahl aufgebaut. Vorzugsweise wird als Trägersubstrat 11 ein Stahlblech vom Stahltyp 1.4016 (thermischer Ausdehnungskoeffizient von 10,5 ppm/K; Wärmeleitfähigkeit von 25 W/mK) oder vom Stahltyp 1.4301 (thermischer Ausdehnungskoeffizient von 18 ppm/K; Wärmeleitfähigkeit von 16,3 W/mK) eingesetzt. Grundsätzlich kann die Dicke des Trägersubstrats 11 bzw. des Stahlblechs zwischen 20 [micro]m und 6 mm betragen. Vorzugsweise werden Stahlbleche mit einer Dicke zwischen 0,5 mm und 1 mm verwendet, die eine gute mechanische Stabilität mit einer guten Verformbarkeit kombinieren.
[0021] Auf dem Trägersubstrat 11 ist - vorzugsweise gross - oder sogar ganzflächig - eine Isolations-Dickschicht 12 aufgebracht, welche die darauf angeordneten Schaltungsteile vom Trägersubstrat 11 elektrisch isoliert, ohne die notwendige thermische Kopplung zum Trägersubstrat 11 unnötig zu schwächen. Zur Bildung der Isolations-Dickschicht 12 wird eine geeignete dielektrische Paste durch eine entsprechende Auftragstechnik, z.B. mittels Siebdruck, auf die Oberfläche des Trägersubstrats 11 aufgetragen, anschliessend getrocknet und dann bei hohen Temperaturen eingebrannt. Als dielektrische Pasten eignen sich insbesondere solche für Chromstahl, die von der Firma W.C. Heraeus unter der Typenbezeichnung SD 1000 und SD 2000 im Handel angeboten werden.
Diese Pasten werden nach dem Aufdrucken für 10 Minuten bei 150[deg.]C getrocknet und für ca. 12 Minuten bei Temperaturen von 850[deg.]C eingebrannt. Eine Vorbehandlung des Trägersubstrats 11 ist dabei nicht notwendig.
[0022] Auf die Isolations-Dickschicht 12 wird - ebenfalls mittels Siebdruck - eine strukturierte Leiter-Dickschicht 13 aufgebracht, welche für die elektrischen Verbindungen und den Anschluss der elektronischen Bauelemente der Schaltungsanordnung 10 zuständig ist. Zur Bildung der Leiter-Dickschicht 13 werden vorzugsweise Leiter-Pasten auf Silber-Basis eingesetzt, die ebenfalls von der Firma W. C. Heraeus unter der Typenbezeichnung C 1057 bzw. C 8717B(H) bzw. C1076SD im Handel erhältlich sind. Auch diese Pasten werden nach dem Aufdrucken getrocknet und anschliessend eingebrannt. Die Zeit- und Temperaturparameter sind dabei weitgehend dieselben wie für die oben genannten Pasten SD 1000 und SD 2000. Ein gemeinsames Einbrennen sowohl der Isolations-Dickschicht 12 als auch der Leiter-Dickschicht 13 in einem Prozess ist dabei möglich.
[0023] Nach dem Aufbringen und thermischen Behandeln der Dickschichten 12 und 13 kann das Trägersubstrat 11 mit den Schichten zusammen dreidimensional verformt werden, wie dies beispielhaft in Fig. 2 für einen treppenartig mit mehreren Biegungen 22 verformten Schaltungsträger 21 gezeigt ist.
[0024] Auf dem mit den beiden Dickschichten 12 und 13 versehenen Trägersubstrat 11, der auch den Schaltungsträger 21 in Fig. 2 bildet, können nun auf unterschiedlichste Weise elektronische Bauelemente montiert und angeschlossen werden, wie dies in Fig. 1 an mehreren Beispielen gezeigt wird. Eine Möglichkeit besteht darin, SMD-Bauelemente (SMD Surface Mounted Devices) auf die Leiter-Dickschicht 13 zu löten, wie dies in Fig. 1 anhand des SMD-Bauelements 15 verdeutlicht wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Halbleiterchip 16 direkt (durch Kleben oder Löten) auf der Leiter-Dickschicht 13 zu montieren und über Bonddrähte 17 an die Leiterbahnen der Leiter-Dickschicht 13 anzuschliessen.
Es ist aber auch denkbar, einen Halbleiterchip 18 in der Flip-Chip-Technik anzuschliessen, bei welcher der Kontakt zwischen den Anschlüssen des Chips und den Leiterbahnen durch Bumps (Lotkügelchen) 19 vermittelt wird. Ein wichtiger Vorteil des Trägersubstrats 11 aus Stahl ist, dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient dem von Silizium besser angepasst ist als der von Aluminium.
[0025] Zur Passivierung der Schaltungsanordnung 10 kann die Leiter-Dickschicht 13 zusätzlich mit einer Schutzschicht 14 abgedeckt werden, die beispielsweise aus einem Glas besteht.
[0026] Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung für mehrere Leistungs-LEDs umfassende Beleuchtungsvorrichtungen, die in rauer Umgebung, insbesondere im Automobilbereich, eingesetzt werden sollen. Hierbei ist einerseits die gute mechanische Stabilität und Formbarkeit des beschichteten Stahl-Trägersubstrats von Vorteil, und andererseits die guten thermischen Eigenschaften, die eine gute Wärmeabfuhr und Beständigkeit gegenüber thermischen Zyklen bewirken. Eine beispielhafte Schaltungsanordnung 20 dieser Art ist in Fig. 2 wiedergegeben. Der Schaltungsträger 21 der Schaltungsanordnung 20 aus Fig. 2 hat den in Fig. 1 gezeigten Aufbau mit dem Trägersubstrat 11 aus Stahlblech und den darauf angeordneten, aus entsprechenden Pasten gebildeten Isolations- und Leiter-Dickschichten 12 bzw. 13.
Die Leiter-Dickschicht ist in Form von Leiterbahnen 23 strukturiert, die ihren Ausgang von zwei Anschlüssen (Pads) 25 nehmen. Durch die Leiterbahnen 23 wird eine Mehrzahl von Leistungs-LEDs 24 in SMD-Technik verbunden und angeschlossen. Die von den Leistungs-LEDs 24 erzeugte Wärme wird grösstenteils an den darunterliegenden Schaltungsträger 21 abgegeben. In der Schaltung können weitere Bauelemente wie z.B. SMD-Widerstände oder ein für die Steuerung vorgesehenes Schaltungselement 26 angeordnet sein. Anstelle der SMD-Widerstände können auch in Dickschicht-Technik ausgeführte, gedruckte Widerstände vorgesehen werden.
[0027] Eine derartige Schaltungsanordnung kann in weiten Grenzen dreidimensional verformt werden, um dem jeweiligen Einsatzzweck (im Autoscheinwerfer oder dgl.) angepasst zu werden. In Fig. 2 ist dies beispielhaft durch die treppenartige Form mit den mehreren Biegungen 22 symbolisiert. Zur Befestigung der Schaltungsanordnung 20 am Einsatzort können an ausgewählten Stellen des Schaltungsträgers 21 beispielsweise Befestigungslöcher 28 o.Ä. vorgesehen werden.
[0028] Die erfindungsgemässe Lösung zeichnet sich insgesamt durch die folgenden Charakteristika und Vorteile aus:
Kostenvorteile:
- Material:
[0029] - Stahlsubstrate sind erheblich kostengünstiger als die bekannten IMS-Substrate (Insulated Metal Substrate).
- Dielektrische Pasten wie die vom Typ SD 2000 (Heraeus) sind erheblich kostengünstiger als vergleichbare Dickschichtpasten.
- Die Cu-Leiter-Paste C7257 und die Silber-Paste C1075 sind kostengünstige Pasten, die sich als Leiter sehr gut eignen.
- Herstellung:
[0029] - Kostenersparnis durch die Verarbeitung von grossen Substraten (bis 600 mm Breite) anstelle von 4-Keramiken.
- Mehrere Pasten-Lagen können in einem Durchgang gemeinsam eingebrannt werden.
- Es ist keine Vorbehandlung auf dem Stahl notwendig.
- Performance-Vorteile:
[0029] - Stahlsubstrate können direkt als Montageplattform verwendet werden (zuverlässige und vielseitige Befestigungsmöglichkeiten, SD-Formgebung usw.)
- Hohe Designfreiheit in der Formgebung und in der mech. Bearbeitung
- Gute EMV-Abschirmung (Stahl als magnetischer Werkstoff)
- Hohe mechanische und chemische Festigkeit des Stahls Nr. 1.4016
- Vibrationsfeste Konstruktion (Automobil-Bereich)
- Gute Wärmeableitung (Wärmeleitfähigkeit: Stahl: 25 W/mK;
Isolationsschicht: 4 W/mK)
- Starke Haftung der Isolations-Dickschicht auf dem Stahl (nachträgliches Biegen ist möglich)
- Stark reduzierte Durchbiegung des Substrates im Fertigungsprozess
- Extrem dichte Isolation (Isolation >1500 VAC bei 70 [micro]m Dicke, Pinhole-frei)
- Hochauflösende Strukturen sind möglich (die Stahloberfläche ist sehr fein)
- Hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit der Cu-Leiter-Pasten
- Dampfsterilisation ist problemlos möglich (135[deg.]C, 2,5 bar)
- Einfachere Konstruktionen für die Powerelektronik
Zusätzliche Vorteile:
[0029] - Stahl besitzt eine hygienische, korrosionsfeste und dekorative Oberfläche
- Stahlsubstrate mit Kupfer- oder Silber-Dickschicht-Technologie sind extrem attraktiv für Applikationen, in denen hohe Temperaturwechsel (-50 bis +150[deg.]C), grosse mechanische Belastungen (Vibrationen, Beschleunigung) und hohe Ströme auftreten. Das Substrat selbst kann zusätzlich als funktioneller Teil genutzt werden (Gehäuse, Befestigung, Stabilität, "thermal management")
- Die Konstruktion eignet sich sowohl für die SMD- als auch für die COB(Chip On Board)-Technik.
Das System ist ROHS-konform.
- Die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit der Dickschicht-auf-Stahl-Konstruktion ermöglicht auch eine direkte Integration mit Kunststoff-Fertigungsmethoden wie beispielsweise dem Spritzguss.
- Mittels sehr dünner Stahlbänder können flexible und robuste Konstruktionen gebildet werden für die Lichttechnik.
- In Kombination mit Stahlfolien, die sehr beständig und günstig sind, lassen sich neu Aufbautechniken realisieren.
- Im Sensorbereich und bei EMV-Anwendungen lassen sich die magnetischen Eigenschaften des Stahls zusätzlich ausnutzen.
- Die dielektrischen Pasten eignen sich zusätzlich auch für Hochfrequenzanwendungen.
- Dickschicht-auf-Stahl-Substrate können DCB-Applikationen (Direct Copper Bonding) teilweise ersetzen.
Anwendung besonders für LEDs (Light Emitting Diodes):
[0029] - Dickschicht-auf-Stahl-Substrate können für die Montage, die elektrische Verbindung und die Wärmeableitung von Leistungs-LEDs verwendet werden,
- Die Konstruktion ist einfach und robust
- Die Technologie kann insbesondere in Automobilen (Beleuchtung, Sensorik, Visualisierung usw.) eingesetzt werden
- Die Dickschicht-auf-Stahl-Technologie ist eine geeignete Plattform in der Aufbau- und Verbindungstechnik moderner LED-Anwendungen
- Typische Eigenschaften der in dieser Technologie einsetzbaren LEDs:
- Typische Dimension eines LED-Chips: 0,3 * 0,3 * 0,1 mm (in Zukunft eher grösser)
- Die Lebensdauer bei 150 Lumen/W beträgt ca. 30 Jahre (Betriebsdauer von 8 h/Tag, bei < 80[deg.]C)
- In nächster Zeit wird die Leuchtkraft auf über 400 Lumen/W ansteigen und neue Anwendungen ermöglichen (Xenon- Scheinwerfer haben z.B. 1000-3000 Lumen)
- Die grosse Herausforderung:
Montage und Wärmeableitung von Power-LEDs; die Verlustleistung auf einem vollen 4 Substrat kann über 100 W betragen
- Die Lebensdauer der LEDs nimmt mit zunehmender Temperatur ab
- Die Leuchtkraft der LEDs nimmt mit steigender Temperatur ab
- Das Farbspektrum der LEDs ist temperaturabhängig
- Typische Dickschicht-auf-Stahl-Montage: Al-Wire-Bonding
Bezugszeichenliste
[0029]
<tb>10, 20<sep>Schaltungsanordnung
<tb>11<sep>Trägersubstrat (aus Stahl)
<tb>12<sep>Isolations-Dickschicht
<tb>13<sep>Leiter-Dickschicht
<tb>14<sep>Schutzschicht
<tb>15<sep>SMD-Bauelement
<tb>16, 18<sep>Halbleiterchip
<tb>17<sep>Bonddraht
<tb>19<sep>Bump
<tb>21<sep>Schaltungsträger
<tb>22<sep>Biegung
<tb>23<sep>Leiterbahn
<tb>24<sep>Leistungs-LED
<tb>25<sep>Anschluss (Pad)
<tb>26<sep>Schaltungselement
<tb>27<sep>SMD-Widerstand
<tb>28<sep>Befestigungsloch
Technical area
The present invention relates to the field of electronic circuit technology. It relates to an electronic circuit arrangement with at least one electronic component according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a circuit arrangement.
State of the art
Thick film pastes are applied for a long time on ceramic substrates of Al2O3 or AIN by screen printing. The layers are then dried and dried at high temperatures, e.g. 850 ° C, baked. Alternatively, other substrates may be used which survive the bake process at 850 ° C., such as steel or copper. The thick-film-on-steel technology (TFS Thick Film on Steel) is also mature and has long been used for heating elements (tea makers, etc.).
From EP-A2-1 598 591 an LED circuit arrangement is known, in which a covered with an insulating layer metal substrate made of aluminum or magnesium or an alloy of these metals is used. In this case, printed conductors in thin-film or thick-film technology are applied to the insulated metal substrate. The heat of the power LEDs is dissipated via the substrate and discharged on the back via cooling fins to the environment.
From WO-A1-2004 / 107 443 an insulated metal substrate (Insulated Metal Substrates IMS) with a power LED is known, which consists of aluminum, an aluminum alloy or copper and is provided with a recess acting as a reflector within which the LED is mounted. On the substrate is an insulating layer and on the insulating layer conductor tracks are applied.
A disadvantage of the known circuit arrangements that they are either relatively expensive to manufacture and expensive, or not flexible enough to the particular application (for example, in power LEDs as vehicle lighting) can be adjusted. Difficulties also arise in the adaptation of the thermal expansion coefficients of the substrate and the semiconductor components arranged thereon, which do not allow, for example, a chip-on-board assembly.
Presentation of the invention
It is therefore an object of the invention to provide an electronic circuit arrangement, in particular for power LEDs, which is simple and inexpensive to produce and also in mass production, can be flexibly adapted to the particular application, and by good thermal properties and the suitability for the most different types of component assembly distinguishes. It is a further object of the invention to provide a method for producing such a circuit arrangement.
The object is solved by the totality of the features of claims 1 and 14. The core of the invention consists in providing a carrier substrate made of a steel, which is at least partially covered on at least one side with an insulating thick film, on which conductor thick layers are applied for the formation of conductor tracks in a circuit arrangement equipped with electronic components.
According to a particularly simple embodiment of the invention, the carrier substrate is a steel sheet. In particular, the carrier substrate has a thickness between 20 [micro] m and 6 mm, preferably between 0.5 mm and 1 mm.
It has proven to be particularly advantageous that the carrier substrate consists of a steel with the material number 1.4016 or 1.4301 according to EN 10088-1: 2005-09.
Another embodiment of the invention is characterized in that the insulating thick film consists of a dielectric paste, which is baked at high temperature, in particular 850 ° C. In particular, this paste, e.g. for optical applications (LEDs etc.) for reasons of reflection, be white.
Accordingly, the thick conductor layer consists of a conductor paste, in particular silver-based, which is baked at high temperature, in particular 850 ° C.
The thickness of the insulating thick film or the thick film conductor is preferably between 20 [micro] m and 120 [micro] m.
According to a further embodiment of the invention, the at least one electronic component is an SMD component.
Preferably, the at least one electronic component is an LED.
Due to the adapted thermal expansion coefficients, it is particularly possible that the at least one electronic component is a semiconductor chip mounted directly on the circuit carrier.
The composite of steel and thick layers applied thereto makes it possible in a simple way that the circuit carrier has a different from the planar shape three-dimensional shape. The three-dimensional shape may in particular include bends of the circuit carrier.
An embodiment of the inventive method is characterized in that the dielectric paste layer and / or the conductor paste layer are applied by screen printing on the carrier substrate.
To adapt to special applications, the circuit carrier can be deformed three-dimensionally after the application of the layers.
Brief explanation of the figures
The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it
<Tb> FIG. 1 <sep> in a sectional view of an electronic circuit arrangement according to an embodiment of the invention; and
<Tb> FIG. 2 <sep> in a perspective view of a three-dimensionally deformed circuit arrangement according to another embodiment of the invention.
Ways to carry out the invention
Fig. 1 shows the section through a circuit arrangement according to an embodiment of the invention. The circuit arrangement 10 is constructed on a carrier substrate 11 made of steel. Preferably, a steel sheet of the steel type 1.4016 (thermal expansion coefficient of 10.5 ppm / K, thermal conductivity of 25 W / mK) or of the steel type 1.4301 (thermal expansion coefficient of 18 ppm / K, thermal conductivity of 16.3 W / mK) is used as the carrier substrate 11. used. In principle, the thickness of the carrier substrate 11 or of the steel sheet can be between 20 μm and 6 mm. Preferably steel sheets are used with a thickness between 0.5 mm and 1 mm, which combine good mechanical stability with good ductility.
On the support substrate 11 is - preferably large - or even the entire surface - an insulating thick film 12 is applied, which electrically isolates the circuit parts arranged thereon from the carrier substrate 11 without unnecessarily weakening the necessary thermal coupling to the carrier substrate 11. To form the insulating thick film 12, a suitable dielectric paste is formed by a suitable deposition technique, e.g. by screen printing, applied to the surface of the carrier substrate 11, then dried and then baked at high temperatures. Particularly suitable as dielectric pastes are those for chromium steel, which are available from W.C. Heraeus be offered under the type designation SD 1000 and SD 2000 in the trade.
These pastes are dried after printing for 10 minutes at 150 ° C and baked for about 12 minutes at temperatures of 850 ° C. A pretreatment of the carrier substrate 11 is not necessary.
On the insulating thick film 12 is - also by screen printing - a structured thick-film conductor 13 is applied, which is responsible for the electrical connections and the connection of the electronic components of the circuit 10. To form the thick conductor layer 13, silver-based conductor pastes are preferably used, which are likewise commercially available from W. C. Heraeus under the type designations C 1057 or C 8717B (H) or C1076SD. These pastes are dried after printing and then baked. The time and temperature parameters are largely the same as for the aforementioned pastes SD 1000 and SD 2000. A common firing of both the insulating thick film 12 and the conductor thick film 13 in one process is possible.
After the application and thermal treatment of the thick films 12 and 13, the carrier substrate 11 can be deformed three-dimensionally together with the layers, as shown by way of example in Fig. 2 for a staircase-like deformed with a plurality of bends 22 circuit substrate 21.
On the carrier substrate 11 provided with the two thick layers 12 and 13, which also forms the circuit carrier 21 in Fig. 2, electronic components can now be mounted and connected in various ways, as shown in Fig. 1 in several examples , One possibility is to solder SMD components (SMD Surface Mounted Devices) to the thick conductor layer 13, as illustrated in FIG. 1 on the basis of the SMD component 15. Another possibility is to mount a semiconductor chip 16 directly (by gluing or soldering) on the thick-film conductor 13 and to connect it via bonding wires 17 to the conductor tracks of the thick-film conductor 13.
However, it is also conceivable to connect a semiconductor chip 18 in the flip-chip technique, in which the contact between the terminals of the chip and the printed conductors is mediated by bumps (solder balls) 19. An important advantage of the steel support substrate 11 is that its thermal expansion coefficient is better matched to that of silicon than that of aluminum.
For passivation of the circuit 10, the conductor thick film 13 can be additionally covered with a protective layer 14, which consists for example of a glass.
Particularly advantageous is the inventive circuit arrangement for multiple power LEDs comprehensive lighting devices to be used in harsh environment, especially in the automotive sector. On the one hand, the good mechanical stability and formability of the coated steel carrier substrate is advantageous, and on the other hand, the good thermal properties, which bring about good heat dissipation and resistance to thermal cycles. An exemplary circuit arrangement 20 of this type is shown in FIG. The circuit carrier 21 of the circuit arrangement 20 from FIG. 2 has the construction shown in FIG. 1 with the carrier substrate 11 made of sheet steel and the insulation and conductor thick layers 12 or 13 formed thereon from corresponding pastes.
The thick conductor layer is structured in the form of printed conductors 23, which take their output from two terminals (pads) 25. By the conductor tracks 23, a plurality of power LEDs 24 is connected and connected in SMD technology. The heat generated by the power LEDs 24 is largely dissipated to the underlying circuit carrier 21. In the circuit, other components such as e.g. SMD resistors or provided for the control circuit element 26 may be arranged. Instead of the SMD resistors, printed resistors designed in thick-film technology can also be provided.
Such a circuit arrangement can be deformed three-dimensionally within wide limits in order to be adapted to the respective intended use (in the car headlight or the like). In FIG. 2, this is exemplified by the staircase-like shape with the plurality of bends 22. For fastening the circuit arrangement 20 at the place of use, for example, fastening holes 28 or the like can be used at selected locations of the circuit carrier 21. be provided.
The solution according to the invention is characterized overall by the following characteristics and advantages:
Cost advantages:
- Material:
Steel substrates are considerably less expensive than the known IMS substrates (Insulated Metal Substrates).
Dielectric pastes such as the SD 2000 (Heraeus) are considerably less expensive than comparable thick-film pastes.
- The Cu conductor paste C7257 and the silver paste C1075 are inexpensive pastes, which are very well suited as conductors.
- Production:
Cost savings through the processing of large substrates (up to 600 mm wide) instead of 4-ceramics.
- Several paste layers can be baked together in one go.
- No pretreatment on the steel is necessary.
- Performance advantages:
- Steel substrates can be used directly as a mounting platform (reliable and versatile mounting options, SD molding, etc.)
- High design freedom in molding and mech. processing
- Good EMC shielding (steel as magnetic material)
- High mechanical and chemical resistance of steel No. 1.4016
- Vibration-resistant construction (automotive sector)
- Good heat dissipation (thermal conductivity: steel: 25 W / mK;
Insulation layer: 4 W / mK)
- Strong adhesion of the insulation thick layer on the steel (subsequent bending is possible)
- Greatly reduced deflection of the substrate in the manufacturing process
- Extremely tight insulation (insulation> 1500 VAC at 70 [micro] m thickness, pinhole-free)
- High resolution structures are possible (the steel surface is very fine)
High electrical and thermal conductivity of the Cu conductor pastes
- Steam sterilization is easily possible (135 ° C, 2.5 bar)
- Simpler designs for power electronics
Additional benefits:
- Steel has a hygienic, corrosion-resistant and decorative surface
- Steel substrates with copper or silver thick-film technology are extremely attractive for applications in which high temperature changes (-50 to +150 ° C), high mechanical loads (vibrations, acceleration) and high currents occur. The substrate itself can also be used as a functional part (housing, mounting, stability, thermal management)
- The design is suitable for both SMD and COB (Chip On Board) technology.
The system is ROHS compliant.
The strength and temperature resistance of the thick film on steel construction also allows for direct integration with plastic manufacturing methods such as injection molding.
- By means of very thin steel bands flexible and robust constructions can be formed for the lighting technology.
- In combination with steel foils, which are very durable and cheap, new construction techniques can be realized.
- In the sensor area and in EMC applications, the magnetic properties of the steel can additionally be exploited.
- The dielectric pastes are also suitable for high frequency applications.
- Thick-film on steel substrates can partially replace Direct Copper Bonding (DCB) applications.
Application especially for LEDs (Light Emitting Diodes):
Thick-film on steel substrates can be used for the assembly, electrical connection and heat dissipation of power LEDs,
- The construction is simple and robust
- The technology can be used in particular in automobiles (lighting, sensors, visualization, etc.)
- The thick-film-on-steel technology is a suitable platform in the assembly and connection technology of modern LED applications
- Typical properties of LEDs that can be used in this technology:
- Typical dimension of an LED chip: 0.3 * 0.3 * 0.1 mm (in the future rather larger)
- The lifetime at 150 lumens / W is about 30 years (operating time of 8 h / day, at <80 ° C)
- In the near future, the luminosity will increase to over 400 lumens / W and allow new applications (xenon headlamps have for example 1000-3000 lumens)
- The big challenge:
Assembly and heat dissipation of power LEDs; the power dissipation on a full 4 substrate can be over 100W
- The life of the LEDs decreases with increasing temperature
- The brightness of the LEDs decreases with increasing temperature
- The color spectrum of the LEDs is temperature-dependent
- Typical thick-film-to-steel mounting: Al-wire bonding
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0029]
<tb> 10, 20 <sep> Circuitry
<tb> 11 <sep> support substrate (steel)
<Tb> 12 <sep> insulation thick film
<Tb> 13 <sep> conductor thick layer
<Tb> 14 <sep> protective layer
<Tb> 15 <sep> SMD component
<tb> 16, 18 <sep> semiconductor chip
<Tb> 17 <sep> bonding wire
<Tb> 19 <sep> Bump
<Tb> 21 <sep> circuit support
<Tb> 22 <sep> bend
<Tb> 23 <sep> interconnect
<Tb> 24 <sep> Power LED
<tb> 25 <sep> port (pad)
<Tb> 26 <sep> circuit element
<Tb> 27 <sep> SMD resistor
<Tb> 28 <sep> mounting hole