DE102011076773A1 - Method for manufacturing integrated circuit e.g. MOSFET, involves attaching strip conductors of power section to strip conductor attachments by cold gas spraying process, and equipping power component space with power components - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung, die einen Leistungsteil und einen Ansteuerteil auf einem Trägersubstrat aufweist. The present invention relates to a method for producing an integrated circuit, which has a power part and a drive part on a carrier substrate.
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. In today's applied technology power and control electronics are usually available as separate modules. The power electronics consists of an assembly from which, for example, power transistors (MOSFET) are soldered and contacted with copper conductors via bonding connections (direct copper bonding (MOSFET ceramics)). Typically, these copper tracks are made thick and measure 200-300 microns more or less. For the conductor tracks, copper foils in various thicknesses are sintered on both sides on aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN) ceramics and etched into the strip conductor structures by photochemical etching. The track resistors measure a few μΩ and thus exhibit a high current carrying capacity.
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. In this case, however, the power and control electronics must be contacted with each other. This means that both assemblies must be aligned and fixed exactly to each other. In many cases, the modules are thermally bonded or screwed. The electrical contacting of the groups with each other can be carried out by means of wire connections (thick wire bonding). However, this always requires a separate work step. Furthermore, any additional connection contains sources of error. Furthermore, this type of structure may be unfavorable for the EMC behavior.
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. To avoid these disadvantages, it has already been proposed a single-substrate solution, wherein drive and power electronics are arranged on a single circuit carrier. For example, high-power printed circuit boards and ceramic-based circuit boards (thick-film power hybrids) are already available on the market. Both basic materials (printed circuit board, ceramic) combine the power and control components on a single carrier substrate.
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. The synthetic fiber-reinforced printed circuit boards (copper conductor tracks) are designed in the field of power electronics with copper-reinforced holes ("thermal vias"). These ensure the heat transfer through the printed circuit board material, as plastics have poor heat conduction. For the actual heat sink, usually a metallic carrier, they still need to be electrically isolated. Here Wärmeleitfolien or adhesive are conceivable.
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. The second mentioned material ceramic is electrically insulating in itself and an excellent conductor of heat. The layer structure of a ceramic substrate can be selected as a conventional thick-film structure, wherein the printed conductors are printed by means of noble metal pastes (Ag, AgPt, AgPd, Au) in power-dependent layer thicknesses and sintered under atmospheric oxygen. Insulating layers allow for multilayer construction, it being common for the circuits to include printed and laser trimmed resistors.
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. To ensure sufficient power consumption, the power section of the strip conductors must have sufficient low-resistance tracks. This is achieved in the prior art by printing and sintering several layers of the same metal paste one above the other. In order to achieve a layer thickness of typically 200-300 μm copper tracks compared to DCB technology, several pressure layers of a thick-film paste are required. However, the low interconnect resistance of a copper foil can not be achieved since thick-film pastes have admixtures of binding glasses in addition to their metal content. These increase the track resistance and thus reduce the conductivity. Furthermore, precious metal pastes are subject to the market conditions of the precious metal exchanges and are thus relatively expensive.
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. A low-cost alternative is offered by thick-film copper paste systems, which, however, have to be sintered under a protective gas atmosphere in order to prevent the oxidic reaction of the copper with atmospheric oxygen. But even here the properties of the pure copper material (E-copper) are not achieved as with the DCB ceramics, since these pastes also contain binding glasses in addition to the metallic solids content.
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. The present invention is based on the task of providing a method for producing an integrated circuit with which an integrated circuit can be produced in a particularly cost-effective and simple manner.
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.
- a. Providing a carrier substrate;
- b. Forming the Ansteuerteiles of the circuit on the carrier substrate via a thick film process with the required interconnect connections for the power section while keeping the power part free;
- c. then forming the power part of the circuit by masking the manufactured drive part and the interconnect spaces as well as power component clearances of the power unit while keeping the conductor track connections free;
- d. Production of the conductor tracks of the power unit and connecting the same to the conductor track connections by cold gas spraying;
- e. Assembly of power module clearances with power components.
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. In surface treatment technology, cold gas spraying (CGS) of various materials (including copper) is known. This method makes it possible to accelerate the smallest particles (10 to 100 microns) in a noble gas (even nitrogen) so that these particles of material, such as copper, upon impact with a metallic or non-metallic carrier, such as a ceramic, adhere to this intimately and a form homogeneous layer. According to the invention, this technique is used to fabricate an integrated circuit that includes both a drive part and a power part. In this case, the drive part of the circuit is produced in conventional thick-film technology, while the conductor tracks (high-current paths) of the power section are formed by means of cold gas spraying (CGS).
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). The material used for the cold gas spraying is preferably copper use. The electrical conductivities of the CGS copper reach up to 95% approximately the values of concentrated rolled copper material (bulk or E copper).
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. Thus, two chemically distinct materials, i. Thick-film materials for the drive part and cold gas spraying material, in particular copper, for the power part or high-current part are combined on a ceramic substrate. In the thick film process thick film pastes are preferably sintered at a firing temperature of 850 ° C under atmospheric oxygen on the substrate and completed for the control electronics. Finally, the power section with the corresponding structures, in particular copper structures, provided in the cold gas spraying.
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 the method according to the invention, a single carrier substrate is used. On this carrier substrate, the control electronics is produced by conventional thick-film technology, wherein the power section is kept free and only the required interconnect connections are made to the power unit. Here, the entire manufacturing process, namely the printing and sintering of the conductor, insulation and resistance layers, a conventional thick-film process, which takes place, for example, at a sintering temperature of 850 ° C under atmospheric oxygen.
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. In a subsequent method step, the conductor tracks of the power section (copper tracks) are applied to the carrier substrate by means of cold gas spraying (CGS) and connected to the conductor track connections of the control section. Beforehand, the already produced thick-film part (with the exception of the interconnect connections) and the interconnect spaces as well as the trackway clearances of the power part are masked or covered.
Nach dem Erstellen der Leiterbahnen werden die Leistungsbauteilfreiräume mit Leistungsbauteilen bestückt. After the conductor tracks have been created, the power module clearances are equipped with power components.
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. In the method according to the invention, the layer thickness of the conductor tracks in the power section is preferably controlled by the metering of the cold gas spraying. Preferably, the layer thickness of the conductor tracks in the power section is set to 0.1 mm to a few mm.
Die Dichte des aufgespritzten Materials kommt der des sogenannten „Bulk“-Materials (E-Kupfers) der DCB-Keramik gleich und liefert somit gleichgute technische Eigenschaften. The density of the sprayed material is equal to that of the so-called "bulk" material (e-copper) of the DCB ceramic and thus provides the same good technical properties.
Als Trägersubstrat findet vorzugsweise ein Keramiksubstrat Verwendung, wie beispielsweise Al2O3 oder AlN. The carrier substrate used is preferably a ceramic substrate, for example Al 2 O 3 or 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.In a further development of the method according to the invention, the rear side of the carrier substrate, preferably ceramic substrate, is provided with a solderable layer. In this way, the carrier substrate on a heat sink (heat sink), which is provided for example with CGS-Cu, are soldered, the good heat conduction of solder (60 W / m · K) is used.
Das Spritzmaterial, insbesondere Kupfer, kann im Leistungsteil ohne thermische Erhitzung aufgebracht werden. Auf diese Weise wird eine Oxidation des Spritzmateriales (Kupfermateriales) vermieden. The spray material, in particular copper, can be applied in the power section without thermal heating. In this way, oxidation of the spray material (copper material) is avoided.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit den Kaltgasspritzen ein besonderes kostengünstiges Verfahren Anwendung findet. Another advantage of the method according to the invention is that with the cold gas spraying a special inexpensive method is used.
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. In a variant of the method according to the invention, which is used to produce an integrated circuit which has an evaluation part, the evaluation part of the circuit is also produced by means of a thick-film process. For this purpose, the statements made in connection with the training of the Ansteuerteiles apply.
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. On the whole, it is thus possible in accordance with the invention to combine the advantages resulting here from a thick-film process and a cold gas spraying process in conjunction with an one-substrate solution.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Beispiels im Einzelnen erläutert. The invention will be explained in more detail below with reference to an example.
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.To produce an integrated circuit which has a power part and a drive part on a carrier substrate, an Al 2 O 3 substrate is provided as the carrier substrate. After appropriate pretreatment of the carrier substrate, the drive part of the circuit is produced by means of a conventional thick-film process at a sintering temperature of 850 ° C. under atmospheric oxygen. In this case, conductor track, insulation and resistance layers are printed and sintered in the usual way. In the preparation of the Ansteuerteiles provided for the power section of the circuit space is kept free. The required interconnect connections for the power section are also produced using the thick-film process.
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.Next, the produced control part and the corresponding interconnect spaces as well as power component clearances of the power part are covered while keeping the interconnect connections free. Thereafter, the conductor tracks of the power unit are produced by cold gas spraying with copper and connected to the conductor tracks. Through appropriate dosing during cold gas spraying, layer thicknesses of up to 1 mm are produced.
Schließlich werden die Leistungsbauteilfreiräume mit Leistungsbauteilen bestückt.Finally, the power component clearances are equipped with power components.
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