DE102011076773A1

DE102011076773A1 - Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE102011076773A1
Application number: DE201110076773
Authority: DE
Inventors: Erich Mattmann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-06

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung, die einen Leistungsteil und einen Ansteuerteil auf einem Trägersubstrat aufweist, beschrieben. Bei dem Verfahren wird der Ansteuerteil der Schaltung über einen Dickschichtprozess hergestellt. Nach entsprechenden Maskierungsvorgängen werden die Leiterbahnen des Leistungsteiles durch Kaltgasspritzen erzeugt und an die Leiterbahnanbindungen des Ansteuerteiles angeschlossen. Auf diese Weise lassen sich integrierte Schaltungen mit einem einzigen Substrat besonders einfach und kostengünstig herstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung, die einen Leistungsteil und einen Ansteuerteil auf einem Trägersubstrat aufweist.
In der angewandten heutigen Technik sind Leistungs- und Ansteuerelektronik meist als getrennte Baugruppen vorhanden. Die Leistungselektronik besteht aus einer Baugruppe, von der beispielsweise Leistungstransistoren (MOSFET) aufgelötet und mit Kupferleiterbahnen über Bondverbindungen kontaktiert sind (Direct Copper Bonding (MOSFET-Keramik)). Üblicherweise sind diese Kupferbahnen dick ausgebildet und messen 200–300 μm mehr oder weniger. Für die Leiterbahnen werden Kupferfolien in diversen Schichtstärken beidseitig auf Aluminiumoxid-(Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid-(AlN)Keramik aufgesintert und in die Leiterbahnenstrukturen fotochemisch formgeätzt. Die Leiterbahnwiderstände messen wenige μΩ und weisen somit eine hohe Stromtragfähigkeit aus.
Hierbei müssen jedoch die Leistungs- und Ansteuerelektronik untereinander kontaktiert werden. Dies bedeutet dass beide Baugruppen exakt zueinander ausgerichtet und fixiert werden müssen. In vielen Fällen werden dabei die Baugruppen wärmeleittechnisch verklebt oder verschraubt. Die elektrische Kontaktierung der Gruppen untereinander kann mittels Drahtverbindungen (Dickdraht-Bonden) durchgeführt werden. Es ist jedoch hierbei immer ein gesonderter Arbeitsschritt erforderlich. Ferner birgt jede zusätzliche Verbindung Fehlerquellen. Des Weiteren kann diese Art des Aufbaus für das EMV-Verhalten ungünstig sein.
Zur Vermeidung dieser Nachteile hat man bereits eine Einsubstratlösung vorgeschlagen, wobei Ansteuerungs- und Leistungselektronik auf einem einzigen Schaltungsträger angeordnet sind. So gibt es bereits auf dem Markt „high-power“-Leiterplatten und auf Keramik basierende Schaltungsträger (Dickschicht-Leistungshybride). Bei beiden Grundmaterialien (Leiterplatte, Keramik) sind Leistungs- und Ansteuerteil auf einem einzigen Trägersubstrat vereint.
Die kunstfaserverstärkten Leiterplatten (Kupferleiterbahnen) sind im Bereich der Leistungselektronik mit kupferverstärkten Löchern („thermal vias“) ausgebildet. Diese gewährleisten den Wärmetransport durch das Leiterplattenmaterial, da Kunststoffe eine schlechte Wärmeleitung besitzen. Zur eigentlichen Wärmesenke hin, meist ein metallischer Träger, müssen diese noch elektrisch isolierend verbunden werden. Hier sind Wärmeleitfolien oder auch -kleber denkbar.
Der zweite erwähnte Werkstoff Keramik ist in sich elektrisch isolierend und ein hervorragender Wärmeleiter. Der Schichtaufbau eines Keramiksubstrates kann als konventioneller Dickschichtaufbau gewählt werden, wobei die Leiterbahnen mittels Edelmetallpasten (Ag, AgPt, AgPd, Au) in leistungsabhängigen Schichtstärken gedruckt und unter Luftsauerstoff gesintert werden. Isolierende Schichten erlauben einen Mehrlagenaufbau, wobei es üblich ist, dass die Schaltungen gedruckte und lasergetrimmte Widerstände beinhalten.
Um eine ausreichende Leistungsaufnahme zu gewährleisten, muss der Leistungsteil der Leiterbahnen ausreichende niederohmige Leiterbahnen aufweisen. Dies wird beim Stand der Technik erreicht, indem mehrere Lagen der gleichen Metallpaste übereinander gedruckt und gesintert werden. Um vergleichsweise zur DCB-Technologie eine Schichtdicke von üblicherweise 200–300μm Kupferbahnen zu erreichen, sind mehrere Drucklagen einer Dickschichtpaste erforderlich. Den geringen Leiterbahnwiderstand einer Kupferfolie erreicht man jedoch nicht, da Dickschichtpasten zusätzlich zu ihrem Metallgehalt Beimengungen von Bindegläsern aufweisen. Diese erhöhen den Leiterbahnwiderstand und verringern somit die Leitfähigkeit. Des Weiteren unterliegen Edelmatallpasten den Marktgegebenheiten der Edelmetallbörsen und sind somit relativ teuer.
Eine preisgünstige Alternative bieten Dickschicht-Kupfer-Pastensysteme, die jedoch unter Schutzgas-Atmosphäre gesintert werden müssen, um die oxidische Reaktion des Kupfers mit dem Luftsauerstoff zu verhindern. Aber auch hier werden die Eigenschaften des reinen Kupfermaterials (E-Kupfer) wie bei der DCB-Keramik nicht erreicht, da diese Pasten ebenfalls neben dem metallischen Feststoffgehalt auch Bindegläser enthalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgebe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer integierten Schaltung zur Verfügung zu stellen, mit dem auf besonders kostengünstige und einfache Weise eine integrierte Schaltung hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung, die einen Leistungsteil und einen Ansteuerteil auf einem Trägersubstrat aufweist, gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a. Vorsehen eines Trägersubstrates;
b. Ausbilden des Ansteuerteiles der Schaltung auf dem Trägersubstrat über einen Dickschichtprozess mit den erforderlichen Leiterbahnanbindungen für den Leistungsteil unter Freihaltung des Leistungsteiles;
c. danach Ausbilden des Leistungsteiles der Schaltung durch Maskieren des hergestellten Ansteuerteiles und der Leiterbahnzwischenräume sowie Leistungsbauteilfreiräume des Leistungsteiles unter Freihaltung der Leiterbahnanbindungen;
d. Herstellen der Leiterbahnen des Leistungsteiles und Anschließen derselben an die Leiterbahnanbindungen durch Kaltgasspritzen;
e. Bestücken der Leistungsbauteilfreiräume mit Leistungsbauteilen.

In der Oberflächenvergütungstechnik ist das Kaltgasspritzen (CGS-Cold Gas Spraying) von verschiedenen Materialien (u.a. Kupfer) bekannt. Dieses Verfahren erlaubt es, kleinste Partikel (10 bis 100 μm) in einem Edelgasstrom (auch Stickstoff) so zu beschleunigen, dass diese Materialpartikel, beispielsweise Kupfer, beim Auftreffen auf einen metallischen oder nichtmetallischen Träger, beispielsweise eine Keramik, an diesem innig haften und eine homogene Schicht bilden. Erfindungsgemäß wird diese Technik zur Herstellung einer integrierten Schaltung herangezogen, die sowohl einen Ansteuerteil als auch einen Leistungsteil beinhaltet. Dabei wird der Ansteuerteil der Schaltung in konventioneller Dickschichttechnologie hergestellt, während die Leiterbahnen (Hochstrompfade) des Leistungsteiles mittels Kaltgasspritzen (CGS) ausgebildet werden.
Als Material für das Kaltgasspritzen findet vorzugsweise Kupfer Verwendung. Die elektrischen Leitfähigkeiten des CGS-Kupfers erreichen mit bis zu 95 % annähernd die Werte von konzentriertem gewalzten Kupfermaterial (Bulk- oder E-Kupfer).
Somit können zwei chemisch verschiedene Materialien, d.h. Dickschichtmaterialien für den Ansteuerteil und Kaltgasspritzmaterial, insbesondere Kupfer, für den Leistungsteil bzw. Hochstromteil auf einem Keramiksubstrat vereint werden. Bei dem Dickschichtprozess werden Dickschichtpasten vorzugsweise bei einer Brenntemperatur von 850°C unter Luftsauerstoff auf dem Substrat gesintert und für die Ansteuerelektronik fertig gestellt. Abschließend wird der Leistungsteil mit den entsprechenden Strukturen, insbesondere Kupferstrukturen, im Kaltgasspritzen versehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet ein einziges Trägersubstrat Verwendung. Auf diesem Trägersubstrat wird die Ansteuerelektronik mittels konventioneller Dickschichttechnik hergestellt, wobei der Leistungsteil freigehalten wird und nur die erforderlichen Leiterbahnanbindungen an den Leistungsteil hergestellt werden. Hierbei entspricht der gesamte Herstellungsprozess, nämlich das Drucken und Sintern der Leiterbahn-, Isolations- und Widerstandsschichten, einem konventionellen Dickschichtprozess, der beispielsweise bei einer Sintertemperatur von 850°C unter Luftsauerstoff stattfindet.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die Leiterbahnen des Leistungsteiles (Kupferbahnen) mittels Kaltgasspritzen (CGS) auf das Trägersubstrat aufgebracht und an die Leiterbahnanbindungen des Ansteuerteiles angeschlossen. Vorher werden der bereits hergestellte Dickschichtteil (ausgenommen die Leiterbahnanbindungen) und die Leiterbahnzwischenräume sowie Leistungsbahnfreiräume des Leistungsteiles maskiert bzw. abgedeckt.
Nach dem Erstellen der Leiterbahnen werden die Leistungsbauteilfreiräume mit Leistungsbauteilen bestückt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise über die Dosierung des Kaltgasspritzens die Schichtdicke der Leiterbahnen im Leistungsteil gesteuert. Vorzugsweise wird die Schichtdicke der Leiterbahnen im Leistungsteil auf 0,1 mm bis einige mm eingestellt.
Die Dichte des aufgespritzten Materials kommt der des sogenannten „Bulk“-Materials (E-Kupfers) der DCB-Keramik gleich und liefert somit gleichgute technische Eigenschaften.
Als Trägersubstrat findet vorzugsweise ein Keramiksubstrat Verwendung, wie beispielsweise Al₂O₃ oder AlN.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rückseite des Trägersubstrates, vorzugsweise Keramiksubstrates, mit einer lötbaren Schicht versehen. Auf diese Weise kann das Trägersubstrat auf eine Wärmesenke (Kühlkörper), die beispielsweise mit CGS-Cu versehen ist, aufgelötet werden, wobei die gute Wärmeleitung von Lot (60 W/m·K) genutzt wird.
Das Spritzmaterial, insbesondere Kupfer, kann im Leistungsteil ohne thermische Erhitzung aufgebracht werden. Auf diese Weise wird eine Oxidation des Spritzmateriales (Kupfermateriales) vermieden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit den Kaltgasspritzen ein besonderes kostengünstiges Verfahren Anwendung findet.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die zur Herstellung einer integrierten Schaltung dient, welche einen Auswerteteil aufweist, wird auch der Auswerteteil der Schaltung über einen Dickschichtprozess hergestellt. Hierfür gelten die in Verbindung mit der Ausbildung des Ansteuerteiles gemachten Ausführungen.
Insgesamt gelingt es somit auf erfindungsgemäße Weise die sich hier aus einem Dickschichtprozess und einem Kaltgasspritzprozess ergebenden Vorteile in Verbindung mit einer Einsubstrat-Lösung zu vereinigen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Beispiels im Einzelnen erläutert.
Zur Herstellung einer integrierten Schaltung, die einen Leistungsteil und einen Ansteuerteil auf einem Trägersubstrat aufweist, wird als Trägersubstrat ein Al₂O₃-Substrat zur Verfügung gestellt. Nach entsprechender Vorbehandlung des Trägersubstrates wird der Ansteuerteil der Schaltung über einen konventionellen Dickschichtprozess bei einer Sintertemperatur von 850 °C unter Luftsauerstoff hergestellt. Dabei werden in üblicher Weise Leiterbahn-, Isolations- und Widerstandsschichten gedruckt und gesintert. Bei der Herstellung des Ansteuerteiles wird der für den Leistungsteil der Schaltung vorgesehene Raum freigehalten. Die erforderlichen Leiterbahnanbindungen für den Leistungsteil werden ebenfalls mit Hilfe des Dickschichtprozesses hergestellt.
Als nächstes werden der hergestellte Ansteuerteil und die entsprechenden Leiterbahnzwischenräume sowie Leistungsbauteilfreiräume des Leistungsteiles unter Freihaltung der Leiterbahnanbindungen abgedeckt. Danach werden die Leiterbahnen des Leistungsteiles durch Kaltgasspritzen mit Kupfer hergestellt und an die Leiterbahnanbindungen angeschlossen. Durch entsprechende Dosierung beim Kaltgasspritzen werden Schichtstärken von bis zu 1 mm hergestellt.
Schließlich werden die Leistungsbauteilfreiräume mit Leistungsbauteilen bestückt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung, die einen Leistungsteil und einen Ansteuerteil auf einem Trägersubstrat aufweist, mit den folgenden Schritten: a. Vorsehen eines Trägersubstrates; b. Ausbilden des Ansteuerteiles der Schaltung auf dem Trägersubstrat über einen Dickschichtprozess mit den erforderlichen Leiterbahnanbindungen für den Leistungsteil unter Freihaltung des Leistungsteiles; c. Danach Ausbilden des Leistungsteiles der Schaltung durch Maskieren des hergestellten Ansteuerteiles und der Leiterbahnzwischenräume sowie Leistungsbauteilfreiräume des Leistungsteiles unter Freihaltung der Leiterbahnanbindungen; d. Herstellen der Leiterbahnen des Leistungsteiles und Anschließen derselben an die Leiterbahnanbindungen durch Kaltgasspritzen; und e. Bestücken der Leistungsbauteilfreiräume mit Leistungsbauteilen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Dosierung des Kaltgasspritzens die Schichtdicke der Leiterbahnen im Leistungsteil gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Leiterbahnen im Leistungsteil auf 0,1 mm bis einige mm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägersubstrat ein Keramiksubstrat, insbesondere aus Al₂O₃ oder AlN, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Trägersubstrates mit einer lötbaren Schicht versehen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer integrierten Schaltung, die einen Auswerteteil aufweist, auch der Auswerteteil der Schaltung über einen Dickschichtprozess hergestellt wird.