DE102012206973A1

DE102012206973A1 - Verfahren zum erzeugen von leiterbahnen und substrat

Info

Publication number: DE102012206973A1
Application number: DE201210206973
Authority: DE
Inventors: Thomas Preuschl; Axel Kaltenbacher; Elmar Baur; Michael Höge
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: DE102012206973B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Substrat (10) und ein Verfahren, mittels welchen auf kostengünstige Weise feine Leiterbahnen (16) bereitgestellt werden können. Beim erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen (16) in einer Kupferschicht (12), die auf einer Keramikschicht (11) angeordnet ist, durch Fotostrukturieren und Ätzen der Kupferschicht (12), wird mindestens eine Leiterbahn (16) in mindestens einem Bereich (15) der Kupferschicht (12) erzeugt, in welchem die Kupferschicht (12) eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der Kupferschicht (12) außerhalb des mindestens einen Bereichs. Das erfindungsgemäße Substrat umfasst eine Keramikschicht (11), und eine darauf angeordnete Kupferschicht (12), wobei Leiterbahnen (16) in der Kupferschicht (12) mittels Fotostrukturierung und Ätzen erzeugt sind, wobei mindestens eine Leiterbahn (16) in einem Bereich (15) der Kupferschicht (12) erzeugt ist, in welchen die Kupferschicht (12) eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der Kupferschicht (12) außerhalb des Bereichs (15).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einem Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind DCB-Substrate, wie in 1 dargestellt, mit einer Keramikschicht 11 und einer an der Keramikschicht 11 einseitig oder beidseitig angeordneten Kupferschicht 12 bekannt. Die Kupferschichten 12 werden dabei in Form einer Kupferfolie durch einen Hochtemperaturschmelz- und Diffusionsprozess auf die Keramik aufgebracht und können anschließend über einen strukturierten Ätzresist 13 nasschemisch strukturiert werden.
Derartige Ätzprozesse weisen dabei in der Regel ein isotropes Ätzprofil 14 auf, wie in 2 dargestellt. Das Maskenmaß des Ätzresist 13 wird dabei um den Betrag der Unterätzung in Abhängigkeit von der geätzten Schichtdicke verringert. Sobald diese Unterätzung in die Größenordnung der abzubildenden Strukturen kommt, nimmt die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Strukturübertragung stark ab. In Folge dessen können auf DCB-Substraten nur vergleichsweise grobe Leiterzüge realisiert werden. Im Stand der Technik werden üblicherweise DCB-Substrate mit Kupferschichten einer minimalen Dicke von 127 m, und normalerweise einer Dicke zwischen 200 m und 600 m hergestellt. Mit derartigen Substraten lassen sich Leiterzüge mit einer minimalen Breite von 350 m und einem Abstand von 700 m über einen Ätzprozess herstellen.
Um Substrate mit einer feineren Umverdrahtung zu erzeugen, kann auf blanker Keramik ein Seedlayer aufgebracht, fotostrukturiert und über Galvanik verstärkt werden. Derartige Substrate sind jedoch im Vergleich zu DCB-Substraten sehr teuer und weisen darüber hinaus eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen bereitzustellen, mit welchem auf kostengünstige Weise feine Leiterstrukturen herstellbar sind. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Substrat bereitzustellen, das kostengünstig herstellbar ist und feine Leiterstrukturen aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Substrat mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen in einer Kupferschicht, die auf einer Keramikschicht angeordnet ist, durch Fotostrukturieren und Ätzen der Kupferschicht, wird mindestens eine Leiterbahn in mindestens einem Bereich der Kupferschicht erzeugt, in welchem die Kupferschicht eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der Kupferschicht außerhalb des mindestens einen Bereichs.
Dies stellt die Möglichkeit bereit, Substrate mit einer dicken Kupferschicht herzustellen, die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und gleichzeitig Feinstleiter im Bereich der Kupferschicht mit einer deutlich geringeren Dicke zu erzeugen. Weiterhin lassen sich diese Leiterbahnen in einer Ebene ohne mehrschichtigen Aufbau über kostengünstige Herstellungsverfahren, wie Fotostrukturieren und Ätzen, realisieren. Durch dieses Verfahren können somit viele Vorteile wie Feinstverdrahtung, kostengünstige Herstellung, hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolation durch die Keramikschicht in einem Substrat vereint werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine Bereich der Kupferschicht vor einem Aufbringen der Kupferschicht auf die Keramikschicht erzeugt, insbesondere durch Walzen und/oder Prägen. Durch das Walzen und/oder Prägen der Kupferschicht, insbesondere einer Kupferfolie, wird hier eine sehr kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung von Bereichen in der Kupferschicht mit wesentlich geringerer Dicke bereitgestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine Bereich der Kupferschicht nach einem Aufbringen der Kupferschicht auf die Keramikschicht erzeugt, insbesondere durch Schleifen. Dies stellt eine weitere kostengünstige Möglichkeit zur Ausbildung eines Bereichs in der Kupferschicht mit geringer Schichtdicke dar. Darüber hinaus werden die Optionen bereitgestellt, einen Bereich mit geringerer Kupferschichtdicke vor oder nach dem Aufbringen auf die Keramikschicht oder auch mehrere Bereiche zum Teil vor und zum Teil nach dem Aufbringen zu erzeugen, was sehr viel Flexibilität bei der Herstellung eines solchen Substrats mit sich bringt.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante wird der mindestens eine Bereich der Kupferschicht durch Ätzen vor oder nach einem Aufbringen der Kupferschicht auf die Keramikschicht erzeugt. Das Dünnen der Kupferschicht durch Ätzen ist besonders vorteilhaft, da sich dieser ebenfalls günstige Prozess zum Herstellen des Bereichs mit der geringeren Schichtdicke sowohl vor als auch nach dem Aufbringen der Kupferschicht auf die Keramikschicht durchführen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Oberfläche der auf der Keramikschicht angeordneten Kupferschicht zumindest zum Teil mit einer reflektiven Schicht, die einen höheren Reflexionsgrad als Kupfer aufweist, insbesondere mit einer Schicht aus Silber, überzogen. Insbesondere für die Verwendung bei LED-Modulen ist es sehr vorteilhaft, die Kupferschicht, auf der eine oder mehrere LEDs angeordnet werden, mit einer hochreflektiven Schicht zu überziehen, zumindest im Bereich, in dem die eine oder mehrere LEDs angeordnet werden, da Kupfer eine für LED-Anwendungen ungeeignete Reflektivität aufweist. Durch die Verwendung von Silber oder eines anderen Materials mit einem Reflexionsgrad, der höher ist als der von Kupfer, insbesondere der von hochglänzendem Kupfer, kann das Abstrahlverhalten eines derartigen LED-Moduls wesentlich verbessert werden.
Bevorzugt kann der mindestens eine Bereich zumindest zum Teil mit einem reflektiven Füllmaterial, das einen höheren Reflexionsgrad als Kupfer aufweist, befüllt werden.
Dies ist auch wieder bei LED-Anwendungen besonders vorteilhaft. Insbesondere kann dabei das Befüllen mit Füllmaterial um die LEDs herum erfolgen, so dass das von den LEDs abgestrahlte Licht besser reflektiert wird als durch Kupfer. Darüber hinaus stehen eine Vielzahl an Materialien, wie anorganische, organische oder aus anorganischen und organischen Substanzen gemischte Materialien, zur Ausbildung des hochreflektiven Füllmaterials, das einen höheren Reflexionsgrad als Kupfer aufweist, bereit. Das Befüllen mit Füllmaterial kann dabei z.B. durch Dosieren und Ausheizen, Drucken, Stempeln, Rakeln, usw. erfolgen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Kavität der Kupferschicht, die durch den mindestens einen Bereich der Kupferschicht mit geringerer Dicke als außerhalb dieses mindestens einen Bereichs gegeben ist, ausgenutzt werden kann, um dieses Füllmaterial einzufüllen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Leiterbahnen auf einem DCB-Substrat erzeugt. Dabei kann auch beidseitig an der Keramikschicht eine Kupferschicht angeordnet, insbesondere gebondet, sein. Die Leiterbahnen können in beiden Kupferschichten erzeugt werden oder nur in einer Kupferschicht, und das DCB-Substrat kann über die andere Kupferschicht auf einem Kühlkörper angeordnet werden. DCB-Substrate zeichnen sich durch ihre hohe Wärmeableitung, ihre bereits durch die Keramik enthaltene elektrische Isolation und ihre sehr kostengünstige Herstellung aus. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder eines seiner Ausgestaltungsvarianten können diese Vorteile nun weiterhin mit den Vorteilen einer Feinstverdrahtung kombiniert werden. Es können Leiterbahnen mit einer Breite und einem Abstand voneinander von ca. 50 m im Bereich der Kupferschicht mit geringerer Dicke erzeugt werden und dadurch enge Chipabstände von weniger als 100 m ermöglicht werden. Des Weiteren können Treiber oder andere elektrische Komponenten besonders kostengünstig integriert werden, wie auch weitere Leistungsbausteine wie Schalter, Verstärker, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Leistungsdioden. Weiterhin kann das Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen auch bei Metallkernplatinen angewendet werden, was die gleichen Vorzüge, wie bei einem DCB-Substrat, mit sich bringt.
Darüber hinaus kann eine Dicke der Kupferschicht im mindestens einen Bereich maximal 50%, bevorzugt 30%, der Dicke der Kupferschicht außerhalb des mindestens einen Bereichs messen.
Das erfindungsgemäße Substrat umfasst eine Keramikschicht und eine Kupferschicht, die auf der Keramikschicht angeordnet ist, wobei Leiterbahnen in der Kupferschicht mittels Fotostrukturierung und Ätzen erzeugt sind. Dabei ist mindestens eine Leiterbahn in mindestens einem Bereich der Kupferschicht erzeugt, der eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der Kupferschicht außerhalb des mindestens einen Bereichs. Das erfindungsgemäße Substrat hat den Vorteil, dass es kostengünstig herstellbar ist und gleichzeitig sehr feine Leiterzüge umfassen kann, dadurch dass diese Leiterzüge in einem Bereich der Kupferschicht erzeugt sind der eine wesentlich geringere Dicke aufweist als die Kupferschicht außerhalb dieses Bereichs.
Bevorzug misst die Dicke der Kupferschicht im mindestens einen Bereich maximal 50%, bevorzugt 30%, der Dicke der Kupferschicht außerhalb des mindestens einen Bereichs.
Alle Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausgestaltungsvarianten gelten auch, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Substrat.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines DCB-Substrats gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung isotroper Ätzprofile in einer Kupferschicht eines DCB-Substrats gemäß dem Stand der Technik;
3 eine schematische Darstellung eines DCB-Substrats mit einem Bereich in der Kupferschicht mit einer geringeren Schichtdicke gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
4 eine schematische Darstellung eines DCB-Substrats mit Feinstleitern in einem Bereich der Kupferschicht mit geringerer Schichtdicke.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
3 zeigt eine schematische Darstellung eines DCB-Substrats 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Substrat 10 weist dabei eine Keramikschicht 11 und beidseitig daran angeordnete Kupferschichten 12 auf. Die Kupferschichten 12 können dabei in Form von Kupferfolien, insbesondere mit einer Dicke zwischen 127 m und 600 m, durch einen Hochtemperaturschmelz- und Diffusionsprozess auf die Keramikschicht 11 gebondet werden. Erfindungsgemäß wird in die dicke Kupferschicht 12 ein Fenster in Form eines Bereichs 15 mit deutlich dünnerem Kupfer eingebracht. Dies kann z.B. durch Dünnen nach dem Bonden, insbesondere durch Ätzen und/oder Schleifen, erfolgen oder auch durch Vorstrukturierung vor dem Aufbonden, insbesondere durch Walzen, Prägen, und/oder Ätzen. Aufgrund der dann deutlich dünneren Kupferschicht 12 in diesem Bereich 15 lassen sich Feinstleiter, insbesondere sehr feine Leiterbahnen 16, mit einer Breite und einem Abstand von ca. 50 m über Fotostrukturierung erzeugen, ohne die Vorteile eines DCB-Substrats 10, wie die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Isolation und die kostengünstige Herstellung, zu verlieren.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines DCB-Substrats 10 mit Feinstleitern, insbesondere sehr feine Leiterbahnen 16, in einem Bereich 15 der Kupferschicht 12 mit geringerer Schichtdicke. Durch die Ausbildung eines Bereichs 15 der Kupferschicht 12 mit geringerer Dicke lassen sich somit wesentlich feinere Leiterbahnen 16 in diesem Bereich 15 generieren. Insbesondere können die Leiterbahnen 16 durch einen nasschemischen Ätzprozess mit isotropem Ätzprofil erzeugt werden, was wesentlich günstiger und einfacher in der Herstellung ist als Verfahren, die beispielsweise auf galvanischer Verstärkung fotostrukturierter Seedlayer basieren. Auch weiterhin können Leiterbahnen 16 in der Kupferschicht 12 außerhalb des Bereichs 15 mit der geringeren Schickdicke erzeugt werden. Gerade für die Verwendung eines derartigen Substrats 10 mit Feinstverdrahtung bei LED-Modulen kann die Kupferoberfläche mit einer hochreflektiven Schicht, wie beispielsweise mit stromlos Silber, überzogen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Kavität des Substrats 10 genutzt werden, um hochreflektives, organisches oder anorganisches oder gemischtes Füllmaterial um die LEDs herum zu platzieren, insbesondere über Dosieren und Ausheizen, Drucken, Stempeln oder Rakeln. Weiterhin können auf gleicher Ebene elektrische Komponenten und Leistungsbausteine integriert werden, wie z.B. Treiber, Schalter, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Verstärker, Leistungsdioden, usw.. Besonders vorteilhaft ist auch, dass ein erfindungsgemäßes Substrat 10 und ein Substrat 10, dessen Leiterbahnen 16 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt sind, eine sehr gute Zykelstabilität aufweisen, da der thermische Ausdehnungskoeffizent eines derartigen Substrats 10 mit Feinstverdrahtung sehr gut auf den von Silizium angepasst ist, insbesondere besser als der von reinem Kupfer.
Insgesamt wird so ein Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen und ein Substrat bereitgestellt, die dadurch, dass Leiterbahnen in einem Bereich einer Kupferschicht erzeugt werden können oder erzeugt sind, in welchem die Kupferschicht eine wesentlich geringere Dicke aufweist als außerhalb dieses Bereichs, die Vorteile wie sehr gute Wärmeleitfähigkeit und niedrigen Herstellungskosten mit den Vorteilen einer Feinststrukturierung der Leiterbahnen vereinen.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen (16) in einer Kupferschicht (12), die auf einer Keramikschicht (11) angeordnet ist, durch Fotostrukturieren und Ätzen der Kupferschicht (12), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiterbahn (16) in mindestens einem Bereich (15) der Kupferschicht (12) erzeugt wird, in welchem die Kupferschicht (12) eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der Kupferschicht (12) außerhalb des mindestens einen Bereichs (15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (15) der Kupferschicht (12) vor einem Aufbringen der Kupferschicht (12) auf die Keramikschicht (11) erzeugt wird, insbesondere durch Walzen und/oder Prägen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (15) der Kupferschicht (12) nach einem Aufbringen der Kupferschicht (12) auf die Keramikschicht (11) erzeugt wird, insbesondere durch Schleifen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (15) der Kupferschicht (12) durch Ätzen vor oder nach einem Aufbringen der Kupferschicht (12) auf die Keramikschicht (11) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche der auf der Keramikschicht (11) angeordneten Kupferschicht (12) zumindest zum Teil mit einer reflektiven Schicht, die einen höheren Reflexionsgrad als Kupfer aufweist, insbesondere mit einer Schicht aus Silber, überzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (15) zumindest zum Teil mit einem reflektiven Füllmaterial, das einen höheren Reflexionsgrad als Kupfer aufweist, befüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (16) auf einem DCB-Substrat (10) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kupferschicht (12) im mindestens einen Bereich (15) maximal 50% der Dicke der Kupferschicht (12) außerhalb des mindestens einen Bereichs (15) misst.
Substrat (10), aufweisend eine Keramikschicht (11), und eine Kupferschicht (12), die auf der Keramikschicht (12) angeordnet ist, wobei Leiterbahnen (16) in der Kupferschicht (12) mittels Fotostrukturierung und Ätzen erzeugt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiterbahn (16) in mindestens einem Bereich (15) der Kupferschicht (12) erzeugt ist, in welchen die Kupferschicht (12) eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der Kupferschicht (12) außerhalb des mindestens einen Bereichs (15).
Substrat (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kupferschicht (12) im mindestens einen Bereich (15) maximal 50% der Dicke der Kupferschicht (12) außerhalb des mindestens einen Bereichs (15) misst.
Substrat (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurde.