DE10008569A1 - Substrat für eine Schaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Substrat (1) für eine Schaltungsanordnung elektronischer Bauelemente, bei welchem im Bereich der freien Oberfläche des Substrats Ausnehmungsbereiche (12) zur Aufnahme einer zusätzlichen Menge Lotmittel (10) ausgebildet sind, um die pro Fläche auf dem Substrat aufnehmbare Lotmittelmenge zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat für eine Schaltungsanord­ nung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Fertigung von Schaltungsanordnungen elektronischer Bauelemente, insbesondere bei gemischten Leistungshalblei­ teranordnungen aus Halbleiterchips oder dergleichen und dis­ kreten Bauelementen, vorzugsweise in SMD-Technik (Surface Mounted Device), werden auf einem Grundsubstrat elektronische Bauelemente in ein auf das Grundsubstrat aufgebrachtes Kon­ taktmittel, beispielsweise eine Lotpaste, gesetzt. Anschl­ ießend werden dann die elektronischen Bauelemente mittels ei­ nes thermischen Prozesses verlötet, wobei dadurch zum einen die elektronischen Bauelemente am Substrat mechanisch fi­ xiert, zum anderen aber auch mit entsprechenden Anschlussbe­ reichen elektrisch kontaktiert werden.

Dazu wird typischerweise vor dem thermischen Prozess und vor dem Aufsetzen der zu befestigenden und zu kontaktierenden elektronischen Bauelemente das Kontaktmittel oder die Lotpa­ ste mittels eines Schablonendruckverfahrens auf das Substrat aufgebracht, wobei auf die entsprechenden Lötflächen eine konstante Schichtdicke des Kontaktmittels oder der Lotpaste aufgetragen wird.

Im Gegensatz zu den vollflächig zu verlötenden Halbleiter­ chips weisen diskrete Bauteile, wie Widerstände, Kondensato­ ren oder dergleichen, oft nur relativ kleine Anschlussberei­ che auf. An diesen relativ kleinen Anschlussbereichen muß aber dennoch ein entsprechendes Volumen des Kontaktmittels oder Lotes aufgebracht werden, damit eine hochwertige und prozessfähige Verlötung mit einer ausreichenden Hohlkehlen­ bildung im Bereich zwischen Kontaktbereich oder -fläche und Substrat gewährleistet ist.

Diese hochwertige Verlötung mit ausreichender Hohlkehlenbil­ dung setzt das Zuführen eines entsprechenden Mindestvolumens oder einer entsprechenden Mindestmenge an Kontaktmittel oder Lotpaste voraus. Herkömmlicherweise wird die Menge des im an­ schließenden Ofenprozess zur Verfügung stehenden Kontaktmit­ tels über die Größe der mit dem Kontaktmittel vorab bedruck­ ten Fläche eingestellt. Die Schichtdicke des Kontaktmittels oder der Lotpaste kann dagegen aufgrund der Erfordernisse für eine prozesssichere Lötung der Halbleiterchips nicht beson­ ders gesteigert werden, so dass bei den herkömmlichen Sub­ straten für Schaltungsanordnungen in der Tat ausschließlich eine Vergrößerung der mit dem Kontaktmittel bedruckten Fläche zur Variation des zur Verfügung zu stellenden Volumens an Kontaktmittel oder Lotpaste genutzt werden kann.

Dabei ist aber nachteilig, dass die einmal mit Kontaktmittel benetzten oder bedruckten Flächen auch nach dem Verlöten auf­ grund der vorangegangenen Benetzung mit Lotpaste oder Kon­ taktmittel nicht mehr weiter genutzt werden können und damit verlorengehen. Insbesondere sind die mit dem Kontaktmittel ehemals benetzten Flächen auch für das Aufbringen von Bond­ drähten ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Substrat für eine Schaltungsanordnung elektronischer Bauelemente bereitzu­ stellen, bei welchem die freien Flächen des Substrats die zum Kontaktieren notwendigen Mengen an Kontaktmittel bei einem möglichst geringen Benetzungsgrad der freien Flächen des Sub­ strats an Kontaktmittel liefern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Substrat mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Substrats sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Substrat für eine Schaltungsanordnung elektronischer Bauelemente, insbesondere für eine gemischte Leitungshalbleiteranordnung aus Halbleiterchips oder derglei­ chen und diskreten Bauelementen, vorzugsweise in SMD-Technik, ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der freien Oberfläche des Substrats Ausnehmungsbereiche vorgese­ hen sind, dass die Ausnehmungsbereiche jeweils zur Aufnahme einer zusätzlichen Menge eines Kontaktmittels ausgebildet sind und dass durch die aufnehmbare zusätzliche Menge an Kon­ taktmittel die auf dem Substrat pro Fläche aufnehmbare Menge an Kontaktmittel gegenüber einem Substrat ohne Ausnehmungsbe­ reiche steigerbar ist.

Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht also darin, im Bereich der freien Oberfläche des Substrats für die Schal­ tungsanordnung Ausnehmungen oder Vertiefungen zu schaffen, welche der Aufnahme einer zusätzlichen Menge des Kontaktmit­ tels, nämlich der Lötpaste oder des Lotmittels, dienen. Da­ durch wird erreicht, dass, ohne die Schichtdicke über der freien Oberfläche zu erhöhen, durch Reservoirebildung unter dem Oberflächenniveau der freien Oberfläche innerhalb des Be­ reichs der freien Oberfläche des Substrats Zusatzmengen oder Reservoirs an Kontaktmittel oder Lotpaste im Bereich der freien Oberfläche des Substrats aufgenommen werden können. Folglich wird die Beschickungsdichte mit Kontaktmittel in den Flächenbereichen, wo Ausnehmungsbereiche vorgesehen sind, bei nicht erhöhter Schichtdicke oberhalb des Niveaus der freien Oberfläche erhöhbar oder steigerbar. Da zum Befestigen und Kontaktieren der elektronischen Bauelemente ein bestimmtes Mindestvolumen oder eine Mindestmenge an Kontaktmittel zur Verfügung gestellt werden muß, kann diese Mindestmenge an Kontaktmittel aus einem geringeren Flächenbereich gefördert und von diesem geliefert werden, wodurch es möglich wird, kleinere Bereiche und insgesamt einen geringen Anteil der freien Oberfläche des Substrats vor dem thermischen oder Ofenprozess mit Kontaktmittel zu benetzen. Aufgrund der geringeren Benetzung der Gesamtfläche der freien Oberfläche des Substrats ist es mit dem erfindungsgemäßen Substrat mög­ lich, einen größeren Flächenanteil der freien Oberfläche des Substrats mit weiteren elektronischen Bauelementen zu bestüc­ ken oder entsprechende weitere Leitungsanordnungen oder an­ dere Einrichtungen auf der freien Oberfläche des Substrats vorzusehen, die bei herkömmlichen Substraten aufgrund der Notwendigkeit einer größeren benetzten Fläche verloren waren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats ist ein Grundsubstrat vorgesehen, welches im we­ sentlichen flächig ausgebildet ist und welches eine obere so­ wie eine untere Oberfläche, Unterfläche oder Unterseite auf­ weist. Insbesondere kann dieses Grundsubstrat plattenförmig und/oder planar ausgebildet sein, z. B. in Form einer rechte­ ckigen oder quadratischen Platte. Dieses Grundsubstrat dient unter anderem als mechanisch stabile Unterlage für das Sub­ strat der Schaltungsanordnung elektronischer Bauelemente.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Substrats für eine Schaltungsanordnung ist darüber hinaus mindestens ein Anschlusssubstrat vorgesehen. Dieses Anschlusssubstrat ist vorzugsweise in Form einer Mehrzahl von Anschlussbereichen zumindest auf der oberen Oberfläche des Grundsubstrats ausgebildet. Es ist selbstverständlich auch möglich, auf der unteren Oberfläche des Grundsubstrats ein weiteres Anschlusssubstrat, vorzugsweise ebenfalls in Form einer Mehrzahl von Anschlussbereichen, auszubilden, so dass sowohl die Oberseite, also die obere Oberfläche, als auch die Unterseite, also die untere Oberfläche, des Grundsubstrats mit einem Anschlusssubstrat versehen sind und somit zum Tra­ gen, Kontaktieren und Positionieren elektronischer Bauele­ mente geeignet sind. Die Mehrzahl von Anschlussbereichen und somit das Anschlusssubstrat können einen erheblichen Teil der oberen/unteren Oberfläche des Grundsubstrats abdecken, wobei im Extremfall auch eine völlige Abdeckung denkbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Substrats ist es vorgesehen, dass die Anschlussbereiche des Anschlusssubstrats jeweils im wesentlichen flächig ausgebil­ det sind und jeweils eine obere und eine untere Oberfläche aufweisen. Hier ist z. B. daran gedacht, dass auf dem platten­ förmig planar ausgebildeten Grundsubstrat die Anschlussberei­ che ebenfalls plattenförmig, planar und flächig mit konstan­ ter Schichtdicke jeweils auf der unteren Oberfläche und/oder der oberen Oberfläche des Grundsubstrats angeordnet sind, so dass sich eine schichtartige oder plattenartige Struktur von Grundsubstrat und Anschlusssubstrat übereinander geschichtet ausbildet.

Ferner ist daran gedacht, dass die Anschlussbereiche so aus­ gebildet und angeordnet sind, dass jeweils ihre untere Ober­ fläche der oberen Oberfläche des Grundsubstrats gegenüber­ liegt und die Gesamtheit ihrer oberen Oberflächen sowie die nicht bedeckten Bereiche der oberen Oberflächen des Grundsub­ strats eine (obere) freie Oberfläche des Substrats bilden. Dabei können ferner die Anschlussbereiche entweder direkt auf dem Grundsubstrat aufliegen, es kann jedoch auch ein Zwi­ schensubstrat zum besseren mechanischen Ankoppeln des An­ schlusssubstrats der Anschlussbereiche an das Grundsubstrat vorgesehen sein.

Unabhängig davon wird jedoch durch die Anschlussbereiche die obere Oberfläche des Grundsubstrats zumindest teilweise durch das Anschlusssubstrat in Form der Mehrzahl von Anschlussbe­ reichen abgedeckt, wobei, wie oben bereits erwähnt wurde, ein Teil der oberen Oberfläche des Grundsubstrats auch frei blei­ ben kann. Die (obere) freie Oberfläche des Grundsubstrats wird somit also von den nicht abgedeckten Flächenbereichen der oberen Oberfläche des Grundsubstrats und von den oberen Oberflächen der Anschlussbereiche gebildet, wobei die Kantenbereiche gegebenenfalls ebenfalls einen Beitrag zur freien Oberfläche beitragen.

Die nämliche Situation ergibt sich bei Betrachtung der unte­ ren Oberfläche des Grundsubstrats, auf der ebenfalls An­ schlussbereiche aus dem Anschlusssubstrat vorgesehen sein können. Demgemäß wäre also insgesamt von einer oberen freien Oberfläche und von einer unteren freien Oberfläche des Sub­ strats zu sprechen, wobei die untere freie Oberfläche des Substrats gebildet wird aus den nicht abgedeckten Flächenbe­ reichen der unteren Oberfläche des Grundsubstrats, den auf der unteren Oberfläche des Grundsubstrats aufliegenden An­ schlussbereichen - genauer von deren unteren Oberflächen - und gegebenenfalls von den entsprechenden Kanten oder Randbe­ reichen, die ebenfalls einen Beitrag zur unteren freien Ober­ fläche des Substrats leisten.

Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Substrats ist es vorgesehen, dass die An­ schlussbereiche jeweils zur Aufnahme des Kontaktmittels sowie vermöge des Kontaktmittels zur Kontaktierung mit Kontaktbe­ reichen elektronischer Bauelemente oder dergleichen ausgebil­ det sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kontaktbe­ reiche, insbesondere also die Anschlussbeinchen, elektroni­ scher Bauelemente in den Anschlussbereichen des Substrats kontaktiert werden können, wobei darunter eine mechanische Fixierung und/oder die Herstellung eines elektrisch leitenden Übergangs verstanden wird. Durch diese Maßnahme wird auch si­ chergestellt, dass die Anschlussbereiche zumindest teilweise mit dem Kontaktmittel, insbesondere also mit der Lotpaste, benetzt werden können und entsprechend das notwendige Kon­ taktmittelvolumen oder Lotvolumen im thermischen Prozess zur Fixierung und Kontaktierung der elektronischen Bauelemente liefern.

Vorteilhafterweise sind die Ausnehmungsbereiche jeweils im Bereich des Grundsubstrats und/oder im Bereich des Anschlusssubstrats ausgebildet. Es ist also daran gedacht, die als Re­ servoire für zusätzliche Kontaktmittelmengen dienenden Aus­ nehmungsbereiche, Vertiefungen oder dergleichen im Volumen des Grundsubstrats auszubilden. Gleichzeitig oder alternativ können die Ausnehmungsbereiche, Vertiefungen oder dergleichen ferner auch im Bereich des Anschlusssubstrats, vorzugsweise also in den Anschlussbereichen ausgebildet sein, was den be­ sonderen Vorteil hat, dass die zusätzlichen Kontaktmittelmen­ gen sich bereits in der Nähe der zu kontaktierenden Kontakt­ bereiche der elektronischen Bauelemente befinden. Dies ist deshalb von besonderem Vorteil, weil beim Aufschmelzen des Kontaktmittels allein die Oberflächen- und Kapillarkräfte zwischen dem Kontaktbereich des Bauelements und dem An­ schlussbereich jeweils ausreichen müssen, das für eine wirk­ same Verbindung notwendige Kontaktmittelvolumen in die Nähe der zu kontaktierenden Kontaktbereiche und Anschlussbereiche zu ziehen und es dort zu halten.

Vorzugsweise haben die Ausnehmungsbereiche jeweils eine im wesentlichen quaderförmige Gestalt, und zwar insbesondere mit etwa rechteckiger oder quadratischer Grundfläche. Ferner kön­ nen die Ausnehmungsbereiche vorteilhafterweise in Form von Kreuzen, Linienstrukturen ggf. mit Abrundungen oder auch als im wesentlichen zylindrische Ausnehmungen mit etwa kreisför­ miger oder elliptischer Grundfläche ausgebildet sein. Diese einfachen geometrischen Grundformen sind geeignet, mit hoher Geschwindigkeit und gleichsam hoher Verläßlichkeit, insbeson­ dere im Rahmen eines Automatisierungsprozesses, auf dem Grundsubstrat wiederholt ausgebildet zu werden.

Um eine möglichst geeignete und innige Benetzung des Kontakt­ mittels in den Ausnehmungsbereichen und darüber hinaus zu ge­ währleisten, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Ausnehmungsbereiche jeweils Randbereiche und/oder Kantenbe­ reiche mit einer Kehlenstruktur aufweisen. Dadurch wird er­ reicht, dass die Übergänge der Ausnehmungsbereiche, nämlich im Übergang von der Ausnehmung, also Vertiefung zur darüber erhobenen Oberfläche des Grundsubstrats und/oder des An­ schlusssubstrats, in einer kontinuierlichen, angeschmiegten und nicht abrupten Form mit scharfen Kanten erfolgt. Dies vermindert allzu starke Oberflächenkrümmungen des anzuhaften­ den Kontaktmittels und gewährleistet somit ein besonders in­ niges Auftragen und Kontaktieren, aber gerade auch eine be­ sonders verläßliche und wirksame Lötverbindung nach dem ther­ mischen Prozess.

Es ist dabei besonders wichtig, dass die Kehlenstruktur je­ weils mit einem, insbesondere minimalen, Krümmungsradius aus­ gebildet ist, durch welchen die Oberflächenenergie eines auf­ zunehmenden Kontaktmittels hinreichend gering einstellbar ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die geometri­ schen Parameter der Ausnehmungsbereiche, insbesondere also der Kehlenstruktur, so gewählt wird, dass sie in günstiger Relation zur inherenten Oberflächenenergie oder Oberflächen­ spannung des Kontaktmittels in halbflüssiger oder flüssiger Form stehen. Insbesondere darf also der Krümmungsradius der Kehlenstruktur einen gewissen minimalen Krümmungsradius nicht unterschreiten. Ein Unterschreiten dieses minimalen Krüm­ mungsradius wäre z. B. im Bereich rechter Winkel gegeben oder auch bei Kehlenstrukturen, die mit zu starker Krümmung ausge­ bildet sind.

Alternativ oder in Ergänzung dazu sind die Ausnehmungsberei­ che jeweils mit linearen Dimensionen versehen, durch welche die Oberflächenenergie eines aufzunehmenden Kontaktmittels hinreichend gering einstellbar ist. Hiermit wird vermieden, dass das Kontaktmittel in halbflüssiger oder flüssiger Form von der Oberfläche, insbesondere von den Oberflächenberei­ chen, die Ausnehmungsbereiche aufweisen, gleichsam abperlt, wie dies bei Wasser auf Samt oder bei Quecksilber auf rauhen Oberflächen beobachtet wird. Dazu müssen die Ausnehmungsbe­ reiche eine gewisse Mindestbreite aufweisen, damit das Kon­ taktmittel in pastöser oder flüssiger Form in die Ausnehmungsbereiche eindringen und diese vollständig oder nahezu vollständig ausfüllen und benetzen kann.

Zur Ausbildung eines hochwertigen Substrats ist es vorgese­ hen, dass das Grundsubstrat aus einem im wesentlichen elek­ trisch isolierenden, insbesondere keramischen, Material ge­ bildet ist. Die elektrische Isolation erfolgt zwischen den von den Anschlussbereichen gebildeten Inseln und auch zwi­ schen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Grundsubstrats und ist grundlegende Voraussetzung überhaupt zur Ausbildung einer entsprechenden Schaltungsanordnung elek­ tronischer Bauelemente. Keramische Materialien haben eine entsprechend hohe Isolationseigenschaft, sie sind darüber hinaus mechanisch stabil und auch in geringen Schichtdicken herstellbar.

Es ist ferner vorgesehen, dass das Anschlusssubstrat aus ei­ nem im wesentlichen elektrisch leitfähigen, insbesondere me­ tallischen, Material gebildet ist. Dies ermöglicht ein ent­ sprechendes Kontaktieren der Kontaktbereiche der elektroni­ schen Bauelemente auf dem Substrat und ein entsprechendes Verschalten über die Anordnung der jeweiligen Anschlussberei­ che auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Substrats.

Für eine besonders geeignete Anordnung der elektronischen Bauelemente auf dem Substrat ist es vorgesehen, dass im Grundsubstrat und/oder im Anschlusssubstrat Lochbereiche, insbesondere Durchgangslöcher, ausgebildet sind und dass die Lochbereiche jeweils zur Aufnahme eines Kontaktbereichs ins­ besondere eines Anschlussbeinchens oder dergleichen, ausge­ bildet sind. Dadurch wird erreicht, dass auf dem Substrat die anzuordnenden elektronischen Bauelemente in geeigneter Weise fixiert und vorpositioniert werden können, weil durch die Lö­ cher gerade die Kontaktbereiche, insbesondere also die An­ schlussbeinchen, in einer fixierten und wohldefinierten Po­ sition gehalten werden. Dies ermöglicht insbesondere ein automatisiertes Bestücken und Ausrichten der zu kontaktierenden und zu befestigenden elektronischen Bauelemente auf dem Sub­ strat vor dem mechanischen Fixieren und elektrischen Kontak­ tieren im Rahmen des thermischen Prozesses. Die Durchgangslö­ cher ermöglichen darüber hinaus ein Kontaktieren zwischen An­ schlussbereichen auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Grundsubstrats.

Besonders einfach gestaltet sich das Bestücken, Ausrichten und Positionieren der zu befestigenden und zu kontaktierenden elektronischen Bauelemente auf dem Substrat, wenn die jewei­ ligen Lochbereiche jeweils eine im wesentlichen trichterför­ mige Gestalt zum Einfädeln der Kontaktbereiche der elektroni­ schen Bauelemente aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass auch mit verminderter Rückkehrgenauigkeit entsprechender automati­ scher Einrichtungen ein genaues Positionieren der Kontaktbe­ reiche, insbesondere also der Anschlussbeinchen der elektro­ nischen Bauelemente, möglich ist. Es entsteht somit eine Art Führung durch die Seitenwände des Trichterbereichs zum Loch­ bereich oder Durchgangsloch hin.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Substrats für eine Schaltungsanordnung weiter erläutert. In dieser zeigen

Fig. 1A bis 1D in schematischer und geschnittener Seitenansicht zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Substrats jeweils vor und nach dem Ofenprozess;

Fig. 2A bis 2D schematische Drauf- und geschnittene Seitenansich­ ten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsge­ mäßen Substrats im Vergleich zu einem herkömmlichen Substrat zur Veranschaulichung der Flächeneinspa­ rung;

Fig. 3A bis 3C Details zu Ausnehmungsbereichen eines Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Substrats und

Fig. 4A bis 4D schematische und geschnittene Seitenansichten zwei­ er herkömmlicher Substrate für eine Schaltungs­ anordnung vor und nach dem Ofenprozess.

Die Fig. 1A bis 1D zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Substrats jeweils vor und nach dem Ofenprozess.

In den Fig. 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Substrats 1 mit einem Grundsubstrat 2 mit oberer Oberfläche 3 und unterer Oberfläche 4 gezeigt, wobei auf der oberen Oberfläche 3 des Grundsubstrats 2 ein Anschlussbereich 6 aus dem Anschlusssubstrat 5 mit einer oberen Oberfläche 7 und einer unteren Oberfläche 8 aufgebracht ist. Ferner weisen das Anschlusssubstrat 5 und das Grundsubstrat 2 ein gemeinsa­ mes Durchgangsloch oder einen gemeinsamen Lochbereich 16 auf, in welchen bereits ein Kontaktbereich 11 eines entsprechenden elektronischen Bauelements eingeführt ist. Auf den Anschluss­ bereich 6 ist auch bereits eine bestimmte Menge eines Kon­ taktmittels 10 aufgebracht, wobei auch der im Bereich des Lo­ ches 16 ausgebildete Ausnehmungsbereich 12 mit dem Kontakt­ mittel 10, nämlich in Form einer zusätzlichen Menge 17 an Kontaktmittel 10 ausgefüllt ist.

Im Gegensatz zur Fig. 1A zeigt die Fig. 1B den Zustand der Anordnung aus Fig. 1A nach dem thermischen oder Ofenprozess, in welchem das Kontaktmittel 10 verflüssigt wurde und somit ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Kon­ taktbereich 11 und dem Anschlussbereich 6 durch Hohlkehlen­ struktur hergestellt ist.

In den Fig. 1C und 1D ist der Zustand eines anderen Ausfüh­ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Substrats vor bzw. nach dem Ofenprozess gezeigt, wobei hier jedoch im Vergleich zu dem Beispiel aus den Fig. 1A und 1B der Kontaktbereich 11 di­ rekt auf dem Anschlussbereich 6 aufliegt, weil in diesem Aus­ führungsbeispiel kein Lochbereich 16 oder Durchgangsloch vor­ gesehen ist. In Fig. 1D ist gezeigt, dass durch den Ofenpro­ zess das auf dem Anschlussbereich 6 aufgebrachte Kontaktmit­ tel 10, welches auch hier den Ausnehmungsbereich 12 mit einer zusätzlichen Menge 17 an Kontaktmittel 10 ausfüllt, eine me­ chanische Fixierung und elektrische Kontaktierung des Kon­ taktbereichs 11 des elektronischen Bauelements mit dem An­ schlussbereich 6 mittels Ausbildung einer Hohlkehlenstruktur bewirkt.

In den Fig. 2A bis 2D werden in Draufsicht und geschnittener Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Substrats 1 mit Ausnehmung 12 und ein herkömmliches Substrat miteinander verglichen, wobei hier die Flächeneinsparung an mit Kontaktmittel benetzter freier Oberfläche auf dem Sub­ strat veranschaulicht werden soll.

Die Fig. 2A zeigt in schematischer Draufsicht ein Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Substrats 1 mit einem Grundsubstrat 2, einem darauf aus dem Anschlusssubstrat 5 ge­ bildeten Anschlussbereich 6, einen darin eingearbeiteten Aus­ nehmungsbereich 12 sowie einer diesen Ausnehmungsbereich 12 ausfüllender und den Anschlussbereich 6 teilweise abdeckenden Schicht Kontaktmittel 10.

Aus der geschnittenen Seitenansicht der Fig. 2B wird deut­ lich, dass die Ausnehmung 12 bis auf das Grundsubstrat 2 her­ unter reicht, das Grundsubstrat 2 aber selbst keine weitere Vertiefung aufweist, was jedoch möglich wäre.

Die Kantenlängen der rechteckigen Ausnehmung 12 sind mit x und y bezeichnet. Die Kantenlängen des rechteckigen Bereichs des Auftrags an Kontaktmittel 10 auf dem Anschlussbereich 6 sind mit a und b bezeichnet. Die Schichtdicke des Kontaktmit­ tels 10 auf dem Anschlussbereich 6 ist D und konstant, die Höhe des Anschlusssubstrats 5 ist h und konstant.

Die Fig. 2C und 2D zeigen ein herkömmliches Substrat für eine Schaltungsanordnung elektronischer Bauelemente ebenfalls be­ stehend aus einem Grundsubstrat 2, einem Anschlusssubstrat 5 bzw. einem entsprechenden Anschlussbereich 6 und einer be­ stimmten Schicht an Kontaktmittel 10, welche auf dem An­ schlussbereich 6 aufliegt.

Fig. 2C zeigt eine Querschnittsseitenansicht, die Fig. 2D ei­ ne Draufsicht auf das herkömmliche Substrat.

Die Schichtdicke des Anschlusssubstrats des herkömmlichen Substrats ist identisch mit der Schichtdicke h des Anschluss­ substrats 5 bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform und ist auch mit h bezeichnet. Die Schichtdicke D des Auftrags an Kontaktmittels 10 sei ebenfalls in Übereinstimmung mit der Schichtdicke D hinsichtlich der erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform. Wie aus der Fig. 2D, nämlich der Draufsicht auf das herkömmliche Substrat, deutlich wird, ist der Bereich des Auftrags des Kontaktmittels 10 hier ebenfalls rechteckig ge­ wählt und zwar mit Kantenlängen A und B.

Deutlich wird, dass die Fläche des Rechtecks AB die Fläche des Rechtecks ab übersteigt, um diesen Effekt der Flächenein­ sparung beim erfindungsgemäßen Substrat für eine Schaltungs­ anordnung elektronischer Bauelemente quantitativ zu fassen, sei folgendes Rechenbeispiel angeführt.

Die Schichtdicke D für das Kontaktmittel 10 sei jeweils die maximal mögliche Schichtdicke D für das Kontaktmittel 10, so­ wohl im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des Substrats als auch beim herkömmlichen Substrat, D = 0,3 mm. Auch die Schichtdicken h für die Anschlusssubstrate 5 bzw. für die An­ schlussbereiche 6 seien beim Stand der Technik und bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform identisch, nämlich h = 0,5 mm.

Das Volumen des Auftrags an Kontaktmittel 10 auf das herkömm­ liche Substrat sei so gewählt, dass es für eine prozessfähige Lötung, für eine wirksame Kontaktierung und mechanische Fi­ xierung das minimal notwendig Volumen sei, d. h. die Kanten­ längen A und B seien entsprechend gewählt. Es ergibt sich als minimal notwendiges Sollvolumen aus den Kantenlängen A = 9,2 mm und B = 3,8 mm ein Wert V_soll = A . B . D = 10,448 mm³.

Dieses Minimalvolumen V_soll muß nun auch durch die erfindungs­ gemäße Ausführungsform des Substrats mit Ausnehmung 12 insge­ samt bereitgestellt werden, um eine prozessfähige und wirk­ same Lötung im Rahmen des Ofenprozesses zu ermöglichen. Dabei muß aber beachtet werden, dass neben dem auf der oberen Ober­ fläche 7 des Anschlussbereichs 6 aufliegenden Menge an Kon­ taktmittel 10 auch der Ausnehmungsbereich 12 ein entsprechen­ des Volumen V_aus an Kontaktmittel 10 aufweist. In dem hier ge­ wählten Ausführungsbeispiel sei eine Ausnehmung mit Kanten­ längen x = y = 3,00 mm gewählt, also eine quadratische Aus­ nehmung. Bei Ausnehmungen bis zum Grundsubstrat 2 hin und ei­ ner Anschlusssubstratdicke h = 0,5 mm ergibt sich somit ein Ausnehmungsvolumen V_aus = x . y . h = 4,5 mm³.

Aus dem Quotienten V_aus/V_soll ergibt sich somit, dass das Aus­ nehmungsvolumen V_aus bereits einen Anteil von 43% an dem zu erzielenden minimal notwendigen Volumen V_soll beiträgt. Ent­ sprechend muß die Menge an Kontaktmittel 10 auf der freien Oberfläche des Anschlussbereichs 6 nur noch über das Diffe­ renzvolumen V_soll - V_aus = 5,988 mm³ aufgebracht werden, und es werden sich entsprechend die Kantenlängen a und b im Ver­ gleich zu A und B verkürzen. Es wird somit Fläche eingespart.

Soll das Verhältnis A/B auch für die verkleinerte Fläche a/b in Form a/b beibehalten werden, so ergeben sich aus der Flä­ cheneinsparung Kantenlängen von a = 6,952 mm und b = 2,871 mm. Aufgrund der Kantenverkürzungen A - a = 2,248 mm und B - b = 0,929 mm wurde somit die notwendige zu benetzende Fläche auf dem Anschlusssubstrat 5 bzw. auf der freien Oberfläche 9 von 34,96 mm² auf 19,96 mm² reduziert, das sind etwa 57% der ursprünglich notwendigen zu benetzenden Fläche. Dies ent­ spricht also einer Flächeneinsparung von etwa 43%, was ins­ besondere bei Leistungshalbleitermodulen mit einer Vielzahl von Bauelementen zu einer höheren Packungsdichte und somit zu einer besseren Ausnutzung der Fläche führt.

Die Fig. 3A zeigt in geschnittener Seitenansicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats 1, wobei zur Einstellung einer möglichst geringen Oberflächenenergie des in dem Ausnehmungsbereich 12, welcher im Anschlussbereich 6 aus dem Anschlusssubstrat 5 ausgebildet ist, aufzunehmenden zusätzlichen Volumens 17 an Kontaktmittel 10 in den Randbe­ reichen 13 der Ausnehmung 12 und insbesondere dort an den Kanten 14 sogenannten Kehlenstrukturen 15 vorgesehen sind, die einen stetigen, nicht abrupten oder kantigen Übergang vom Ausnehmungsbereich 12 zur freien Oberfläche 9, nämlich der oberen Oberfläche 7 des Anschlusssubstrats 5 ermöglicht.

In der Fig. 3B ist im Detail gezeigt, wie diese Kehlenstruk­ tur oder Hohlkehlenstruktur 15 im Randbereich 13 oder Kanten­ bereich 14 der Ausnehmung 12 ausgebildet sein kann. Bei die­ sem Ausführungsbeispiel ist nämlich eine Krümmung in der Hohlkehlenstruktur 15 vorgesehen, welche durch den Krümmungs­ radius r im Kehlenbereich 15 gegeben ist. Dieser Krümmungsra­ dius r darf im Hinblick auf die spezifische Oberflächenener­ gie des einzusetzenden Kontaktmittels 10 einen minimalen Krümmungsradius nicht unterschreiten. Diese hängt vom einge­ setzten Kontaktmittel 10 und von weiteren Parametern ab.

Die Fig. 3C zeigt ebenfalls in geschnittener Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sub­ strats für eine Schaltungsanordnung elektronischer Bauele­ mente, bei welcher der Lochbereich 16 als Durchgangsloch aus­ gebildet ist und darin zusammen mit dem Ausnehmungsbereich 12 eine trichterförmige Struktur bildet, die ein besseres Einfä­ deln eines Kontaktbereichs 11 eines entsprechenden elektroni­ schen Bauelements in das Durchgangsloch 16 ermöglicht.

Die Fig. 4A, 4B und Fig. 4C, 4D zeigen im Vergleich zu den Fig. 1A, 1B bzw. 1C, 1D vergleichbare Anordnungen bei her­ kömmlichen Substraten für Schaltungsanordnungen elektroni­ scher Bauelemente aus dem Stand der Technik, wobei bei diesen herkömmlichen Anordnungen identische oder ähnliche Komponen­ ten mit identischen Bezugszeichen versehen sind.

Auffällig ist, dass aufgrund des Fehlens entsprechender Aus­ nehmungsbereiche 12 die auf den oberen Oberflächen 7 der An­ schlussbereiche 6 vorzusehenden Bereiche am Kontaktmittel 10 gegenüber den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen aus den Fig. 1A bis 1D vergrößert sind.

Claims (15)

1. Substrat für eine Schaltungsanordnung elektronischer Bau­ elemente, insbesondere für eine gemischte Leistungshalblei­ teranordnung aus Halbleiterchips oder dergleichen und diskre­ ten Bauelementen, vorzugsweise in SMD-Technik, dadurch gekennzeichnet,

• - dass zumindest im Bereich der freien Oberfläche (9) des Substrats (1) Ausnehmungsbereiche (12) vorgesehen sind,
• - dass die Ausnehmungsbereiche (12) jeweils zur Aufnahme ei­ ner zusätzlichen Menge (17) eines Kontaktmittels (10) aus­ gebildet sind und
• - dass durch die aufnehmbare zusätzliche Menge (17) an Kon­ taktmittel (10) die auf dem Substrat (1) pro Fläche auf­ nehmbare Menge an Kontaktmittel (10) gegenüber einem Sub­ strat ohne Ausnehmungsbereiche steigerbar ist.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundsubstrat (2) vorgesehen ist, welches im wesent­ lichen flächig ausgebildet ist und welches eine obere (3) so­ wie eine untere Oberfläche (4) aufweist.

3. Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anschlusssubstrat (5) vorgesehen ist, welches in Form einer Mehrzahl Anschlussbereiche (6) zumin­ dest auf der oberen Oberfläche (3) des Grundsubstrats (2) ausgebildet ist.

4. Substrat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbereiche (6) jeweils im wesentlichen flä­ chig ausgebildet sind und jeweils eine obere (7) und eine un­ tere Oberfläche (8) aufweisen.

5. Substrat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbereiche (6) so ausgebildet und angeordnet sind, dass jeweils ihre untere Oberfläche (8) der oberen Oberfläche (3) des Grundsubstrats (2) gegenüberliegt und die Gesamtheit ihrer oberen Oberflächen (7) sowie die nicht be­ deckten Bereiche der oberen Oberfläche (3) des Grundsubstrats (2) die freie Oberfläche (9) bilden.

6. Substrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbereiche (6) jeweils zumindest teilweise zur Aufnahme des Kontaktmittels (10) sowie vermöge des Kon­ taktmittels (10) zur Kontaktierung mit Kontaktbereichen (11) elektronischer Bauelemente oder dergleichen ausgebildet sind.

7. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungsbereiche (12) jeweils im Bereich des Grundsubstrats (2) und/oder im Bereich des Anschlusssubstrats (5) ausgebildet sind.

8. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungsbereiche (12) jeweils mit im wesentlichen quaderförmiger Gestalt mit etwa rechteckiger oder quadrati­ scher Grundfläche oder mit im wesentlichen zylinderischer Ge­ stalt mit etwa kreisförmiger oder elliptischer Grundfläche gebildet sind.

9. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungsbereiche (12) jeweils Randbereiche (13) und/oder Kantenbereiche (14) mit einer Kehlenstruktur aufwei­ sen.

10. Substrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehlenstruktur jeweils mit einem, insbesondere mini­ malen, Krümmungsradius (r) ausgebildet ist, durch welchen die Oberflächenenergie eines aufzunehmenden Kontaktmittels (10) hinreichend gering einstellbar ist.

11. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungsbereiche (12) jeweils mit linearen Dimen­ sionen ausgebildet sind, durch welche die Oberflächenenergie eines aufzunehmenden Kontaktmittels (10) hinreichend gering einstellbar ist.

12. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat (2) aus einem im wesentlichen elek­ trisch isolierenden, insbesondere keramischen, Material ge­ bildet ist.

13. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusssubstrat (5) aus einem im wesentlichen elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Material gebildet ist.

14. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass im Grundsubstrat (2) und/oder im Anschlusssubstrat (5) Lochbereiche (16), insbesondere Durchgangslöcher, vorgesehen sind und
dass die Lochbereiche (16) jeweils zur Aufnahme eines Kon­ taktbereichs (11), insbesondere eines Anschlussbeinchens oder dergleichen, ausgebildet sind.

15. Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochbereich (16) jeweils eine im wesentlichen trich­ terförmige Gestalt zum Einfädeln der Kontaktbereiche (11) aufweisen.