DE102014105000B4 - Verfahren zur Herstellung und zum Bestücken eines Schaltungsträgers - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (100) mit den Schritten:Bereitstellen eines metallischen Trägers (1);Bereitstellen einer Metallfolie;Erzeugen einer dielektrischen Schicht (2) an einer metallischen Oberfläche (1t) des Trägers (1) durch Oxidation des Trägers (1);Erzeugen einer Metallisierungsschicht (3), die eine erste Teilschicht (31) und eine zweite Teilschicht (32) aufweist, auf der dem Träger (1) abgewandten Seite der dielektrischen Schicht (2), indem- auf der dem Träger (1) abgewandten Seite der dielektrischen Schicht (2) die erste Teilschicht (31) erzeugt wird; und nachfolgend- die Metallfolie als zweite Teilschicht (32) auf die dem Träger (1) abgewandte Seite der ersten Teilschicht (31) aufgebracht und unmittelbar mit dieser verbunden wird.

Description

  • Die vorliegende Verbindung betrifft Schaltungsträger und deren Bestückung. Schaltungsträger benötigen häufig eine hochwertige dielektrische Schicht, die eine auf der dielektrischen Schicht befindliche Metallisierungsschicht elektrisch gegenüber anderen Elementen, beispielsweise einer weiteren Metallisierungsschicht desselben Schaltungsträgers, elektrisch isoliert. Vor allem im Bereich der Leistungselektronik wird oft auch Verlustwärme, die in einem oder mehreren auf dem Schaltungsträger montierten Bauelementen entsteht, über die dielektrische Schicht in Richtung einer Wärmesenke abgeführt. Viele herkömmliche Schaltungsträger verwenden deshalb eine dielektrische Schicht aus Keramik, da sich mit Keramiken sowohl eine gute Wärmeleitfähigkeit als auch eine hervorragende elektrische Isolation erreichen lassen. Zur Herstellung solcher Schaltungsträger werden eine oder mehrere vorgefertigte Metallfolien auf einer Keramikschicht befestigt.
  • Um die Keramikschicht bei der Herstellung eines solchen Schaltungsträgers nicht zu beschädigen oder zu zerstören, muss diese eine ausreichende mechanische Stabilität und damit eine ausreichende Dicke aufweisen. Allerdings erhöht sich mit zunehmender Dicke auch der thermische Widerstand. Aus der US 2011 /0 284 382 A1 ist es außerdem bekannt, ein Metallsubstrat anodisch unter Ausbildung einer oberflächlichen Oxidschicht zu oxidieren, auf der Oxidschicht durch Sputtern oder „wet plating“ eine Saatschicht zu erzeugen, die bei der Herstellung einer durch elektrolytisches Beschichten erzeugten Leiterschicht verwendet wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich auch Schaltungsträger herstellen lassen, die eine dielektrische Schicht mit geringem thermischem Widerstand aufweisen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bestücken eines Schaltungsträgers bereitzustellen, der eine dielektrische Schicht mit geringem thermischem Widerstand aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Bestücken eines Schaltungsträgers gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein erster Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers. Hierzu werden ein metallischer Träger und eine Metallfolie bereitgestellt. An einer metallischen Oberfläche des Trägers wird durch Oxidation des Trägers eine dielektrische Schicht erzeugt. Auf der dem Träger abgewandten Seite der dielektrischen Schicht wird eine Metallisierungsschicht erzeugt, die zumindest eine erste Teilschicht und eine zweite Teilschicht aufweist. Hierzu wird auf der dem Träger abgewandten Seite der dielektrischen Schicht die erste Teilschicht erzeugt. Nachfolgend wird die Metallfolie auf die dem Träger abgewandte Seite der ersten Teilschicht als zweite Teilschicht aufgebracht und unmittelbar mit dieser verbunden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein nach dem ersten Aspekt hergestellter Schaltungsträger mit einem elektronischen Bauteil bestückt, indem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der dem Träger abgewandten Seite der zweiten Teilschicht und dem elektronischen Bauteil erzeugt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1A bis 1D verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers, bei dem die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht durch Löten verbunden werden.
    • 2A bis 2D verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers, bei dem die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht durch Sintern verbunden werden.
    • 3A bis 3C verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers, bei dem die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht durch Walzen verbunden werden.
    • 4 den Schaltungsträger gemäß 1D nach dem Strukturieren der Metallisierungsschicht.
    • 5A bis 5B den mit einem elektronischen Bauteil bestückte Schaltungsträger gemäß 4.
    • 6 den Schaltungsträger gemäß 2D nach dem Strukturieren der Metallisierungsschicht.
    • 7A bis 7B verschiedene Schritte beim Bestücken des Schaltungsträgers gemäß 6 mit einem elektronischen Bauteil.
    • 8A eine Draufsicht auf einen gemäß den 1D, 2D oder 3C ausgebildeten Schaltungsträger.
    • 8B eine Draufsicht auf den Schaltungsträger gemäß 8A nach der Strukturierung der Metallisierungsschicht.
    • 8C eine Draufsicht auf den Schaltungsträger gemäß 8B nach der Bestückung von der Metallisierungsschicht mit einem elektronischen Bauteil.
    • 8D eine Draufsicht auf den mit dem elektronischen Bauteil bestückten Schaltungsträger gemäß 8C nach der Montage eines Bonddrahtes.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher oder gleichwirkender Funktion. Das Verbinden der ersten Teilschicht und der zweiten Teilschicht durch Löten gemäß den 1A bis 1D bzw. durch Sintern gemäß den 2A bis 2D und die Querschnittsansichten gemäß den 4, 5A, 5B, 6, 7A und 7B ist nicht mehr Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Allerdings dienen die 1A bis 1D und 2A bis 2D, 4, 5A, 5B, 6, 7A und 7B dazu, weitere Aspekte der Erfindung zu erläutern.
  • Mit dem anhand der 1A bis 1D erläuterten Verfahren wird ein Schaltungsträger 100 hergestellt, wie er im Ergebnis in 1D gezeigt ist. Der Schaltungsträger 100 gemäß 1D weist einen metallischen Träger 1 auf, eine dielektrische Schicht 2, sowie eine Metallisierungsschicht 3, die durch die dielektrische Schicht 2 von dem Träger 1 elektrisch isoliert ist. Der Träger 1 kann optional als ebene Schicht ausgebildet sein. Die Schichtdicke d1 des Trägers 1 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Sie kann beispielsweise wenigstens 100 µm und/oder höchstens 5 mm betragen.
  • Die Metallisierungsschicht 3, die auf der dem Träger 1 abgewandten Seite der dielektrischen Schicht 2 angeordnet ist, weist zumindest eine erste Teilschicht 31 und eine zweite Teilschicht 32 auf. Die Schichtdicke d31 der ersten Teilschicht 31 ist wesentlich dünner als die Schichtdicke d32 der zweiten Teilschicht 32. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Teilschicht“ auf einen Bestandteil der fertigen Metallisierungsschicht 3. Gleichwohl wird der Begriff „Teilschicht“ auch zur Bezeichnung der betreffenden Bestandteile verwendet, wenn diese noch nicht zu der fertigen Metallisierungsschicht 3 zusammengefügt sind.
  • Wie in 1A gezeigt ist, wird zur Herstellung eines solchen Schaltungsträgers 100 zunächst ein metallischer Träger 1 bereitgestellt. Bei dem metallischen Träger 1 kann es sich beispielsweise um eine ebene Metallschicht handeln, oder um einen beliebigen anderen metallischen Körper.
  • Auf einer metallischen Oberfläche 1t des Trägers 1 wird durch Oxidation des Trägers 1 eine dielektrische Schicht 2 erzeugt, was im Ergebnis in 1B gezeigt dargestellt ist. Optional kann die metallische Oberfläche 1t oder ein Abschnitt der metallischen Oberfläche 1t, auf dem die dielektrische Schicht 2 erzeugt wird, eben sein. Die Oxidation des Trägers 1 kann beispielsweise durch elektrolytische Oxidation (anodische Oxidation) erfolgen. Das Ergebnis ist in jedem Fall eine dielektrische Schicht 2 aus einer Oxidkeramik.
  • Der Träger 1 kann an der metallischen Oberfläche 1t oder an einem Abschnitt der metallischen Oberfläche 1t, auf dem die dielektrische Schicht 2 erzeugt wird, ein oder mehrere Metalle aufweisen oder aus einem oder mehreren Metallen bestehen, die sich durch Oxidation in eine Keramik überführen lassen. Beispiele für geeignete Metalle sind Aluminium, Magnesium, Titan, Zirconium, Tantal, Beryllium, oder eine Legierung oder eine intermetallische Phase von beliebigen dieser Metalle.
  • Beispielsweise kann der Träger 1 aus Aluminium bestehen. Bei der durch Oxidation erzeugten dielektrischen Schicht 2 handelt es sich dann um eine Aluminiumoxid-Schicht. Auf entsprechende Weise kann z. B. Zirconium des Trägers 1 zu Zirconiumdioxid oxidiert werden, oder Titan des Träger 1 kann zu Titanoxid oxidiert werden, oder Magnesium des Trägers 1 kann zu Magnesiumoxid oxidiert werden, oder Zink des Trägers 1 kann zu Zinkoxid oxidiert werden.
  • Die Schichtdicke d2 der dielektrischen Schicht 2 kann beliebig gewählt werden. Sie kann beispielsweise größer sein als 10 µm und/oder keiner als 150 µm.
  • In jedem Fall wird nach der Herstellung der dielektrischen Schicht 2 auf deren dem Träger 1 abgewandter Seite 2t die Metallisierungsschicht 3 mit mindestens einer ersten Teilschicht 31 und einer zweiten Teilschicht 32 erzeugt. Hierzu wird zunächst die erste Teilschicht 31 auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 2t der dielektrischen Schicht 2 erzeugt, was im Ergebnis in 1C gezeigt ist. Die erste Teilschicht 31 kann optional unmittelbar auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 2t der dielektrischen Schicht 2 erzeugt werden. Die erste Teilschicht 31 wird lediglich als Saatschicht (engl.: „seed layer“) verwendet, um darauf die vergleichsweise dicke zweite Teilschicht 32 sowie optional noch eine oder mehrere weitere jeweils elektrisch leitende, beispielsweise metallische, Teilschichten zu erzeugen. Aufgrund der geringen Schichtdicke d31 der ersten Teilschicht 31 lassen sich zu deren Herstellung auch an sich langsame Abscheideverfahren einsetzen, mit denen sich nur geringe Abscheide- und damit Wachstumsraten erzielen lassen. So lässt sich die erste Teilschicht 31 beispielsweise durch galvanisches Abscheiden, durch Sputtern, durch Aufdampfen oder durch eine beliebige Kombination hiervon erzeugen.
  • Unabhängig vom Verfahren ihrer Herstellung kann die fertige erste Teilschicht 31 eine beispielsweise Schichtdicke d31 von mindestens 0,2 µm und/oder von höchstens 7 µm aufweisen. Schichtdicken d31 von weniger als 0,2 µm oder von mehr als 7 µm sind jedoch ebenfalls möglich.
  • Unabhängig von der gewünschten Schichtdicke d31 und dem gewählten Herstellungsverfahren eignen sich als Materialien zur Herstellung der ersten Teilschicht 31 beispielsweise Aluminium, Silber, Nickel, Palladium, Titan, Kupfer, oder Legierungen aus zwei oder mehr dieser Metalle, Legierungen mit wenigstens einem dieser Metalle, oder Schichtfolgen mit Schichten aus zwei oder mehr dieser Metalle.
  • Nach der Herstellung der ersten Teilschicht 31 wird unmittelbar oder - wie in dem vorliegenden Beispiel mittelbar - auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 31t der ersten Teilschicht 31 die dicke zweite Teilschicht 32 erzeugt. Die zweite Teilschicht 32 dient dazu, die Stromtragfähigkeit der vergleichsweise dünnen ersten Teilschicht 31 zu erhöhen. Daher ist es vorteilhaft, wenn die zweite Teilschicht 32 eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann die zweite Teilschicht 32 bei einer Temperatur von 300 K eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 36 S/m aufweisen. Die zweite Teilschicht 32 kann zum Beispiel aus Silber, Kupfer, Gold, Aluminium oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle bestehen, oder eines der genannten Metalle oder eine der genannten Legierungen aufweisen.
  • Die Schichtdicke d32 der zweiten Teilschicht 32 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Sie kann beispielsweise wenigstens 70 µm und/oder höchstens 600 µm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Schichtdicke d32 der zweiten Teilschicht 32 mindestens das 10-fache der Schichtdicke d31 der ersten Teilschicht 31 betragen.
  • Wie das Ergebnis in 1E zeigt, ist die zweite Teilschicht 32 bei dem vorliegenden Beispiel mittels einer als Lotschicht ausgebildeten dritten Teilschicht 33 stoffschlüssig mit der ersten Teilschicht 31 verbunden. Die dritte Teilschicht 33 befindet sich auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 31t der ersten Teilschicht 31 zwischen der ersten Teilschicht 31 und der zweiten Teilschicht 32..
  • Bei der Lotschicht kann es sich um eine herkömmliche Lotschicht handeln, oder um eine Diffusionslotschicht. Die Dicke d33 einer solchen dritten Teilschicht 33 kann beispielsweise im Bereich von 4 µm bis 600 µm liegen. Im Fall einer herkömmlichen Lotschicht kann die Dicke d33 z. B. im Bereich von 100 µm bis 600 µm liegen, im Fall einer Diffusionslotschicht z. B. im Bereich von 4 µm bis 20 µm.
  • Die Schichtdicke d33 der dritten Teilschicht 33 kann aber prinzipiell beliebig gewählt werden. Sie kann optional größer sein als die Schichtdicke d31 der ersten Teilschicht 31 und/oder kleiner als die Schichtdicke d32 der zweiten Teilschicht 32.
  • Die dritte Teilschicht 33 kann zum Beispiel Kupfer oder Zinn oder Blei oder Silber oder eine Legierung mit einem oder mehreren dieser Metalle aufweisen.
  • Unabhängig vom konkreten Aufbau des Schaltungsträgers 100 kann die zweite Teilschicht 32 mittelbar oder - wie bei dem vorliegenden Beispiel unmittelbar - auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 33t der dritten Teilschicht 33 mittelbar angeordnet sein. Hierzu ist die zweite Teilschicht 32 als vorgefertigte Metallfolie ausgebildet, die stoffschlüssig mit der ersten Teilschicht 31 verlötet wird.
  • Bei dem fertigen Schaltungsträger 100 sind also (jeweils mittelbar oder unmittelbar) aufeinanderfolgend angeordnet (in 1D von unten nach oben): Der Träger 1, die dielektrische Schicht 2, die erste Teilschicht 31, die dritte Teilschicht 33, und die zweite Teilschicht 32.
  • Anhand der 2A bis 2D wird noch ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers 100 erläutert. Während zur Herstellung des anhand der 1A bis 1D erläuterten Schaltungsträgers 100 die zweite Teilschicht 32 mittels einer als Lotschicht ausgebildeten dritten Teilschicht 33 an dem mit der dielektrischen Schicht 2 versehenen Träger 1 befestigt wurde, wird hierzu bei dem anhand der 2A bis 2D erläuterten Verfahren eine gesinterte Verbindung verwendet.
  • Zunächst wird eine Anordnung hergestellt, wie sie in 2A gezeigt ist. Diese Anordnung, die identisch ist mit der Anordnung gemäß 1C, kann ebenso hergestellt werden, wie dies anhand der 1A bis 1C beschrieben wurde.
  • Zur Herstellung der gesinterten Verbindung wird eine Edelmetallpaste verwendet, die ein Edelmetallpulver und ein Lösemittel enthält. Die Paste wird auf einen ersten Oberflächenabschnitt eines der zu verbindenden Fügepartner aufgetragen. Danach wird die Paste getrocknet, so dass zumindest ein Großteil des Lösemittels entweicht und eine im Wesentlichen trockene Edelmetallpulverschicht zurückbleibt. Die Edelmetallpulverpulverschicht wird dann gesintert, während die zu verbindenden Fügepartner derart aneinander gepresst werden, dass die Edelmetallpulverschicht am ersten Oberflächenabschnitt des einen Fügepartners sowie an einem zweiten Oberflächenabschnitt des zweiten Fügepartners anliegt. Durch das Sintern entsteht eine hochfeste, stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen den Fügepartnern.
  • Das Sintern kann beispielsweise erfolgen, indem die zu verbindenden Fügepartner einem Druckbereich von 50 bis 400 bar für eine Zeit von wenigstens 30 sec aneinander gepresst werden, während die zwischen ihnen befindliche Edelmetallpulverschicht simultan auf Temperaturen im Bereich von wenigstens 150°C gehalten wird.
  • Um besonders hohe Festigkeiten der Fügestelle zwischen der gesinterten Edelmetallpulverpulverschicht und einem Oberflächenabschnitt zu erzielen, kann der Oberflächenabschnitt optional durch ein Edelmetall gebildet werden. Als Edelmetalle eignen sich beispielsweise Silber, aber auch Gold, Palladium, Platin.
  • Bei dem vorliegenden Verfahren wird hierzu, wie im Ergebnis in 2B gezeigt ist, auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 31t der ersten Teilschicht 31 eine optionale dünne fünfte Teilschicht 35 aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung erzeugt, was beispielsweise durch galvanisches Abscheiden, durch Sputtern, durch Aufdampfen oder durch eine beliebige Kombination hiervon erfolgen kann. Die fünfte Teilschicht 35 kann wie gezeigt unmittelbar oder alternativ mittelbar auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 31t der ersten Teilschicht 31 erzeugt werden.
  • Danach wird, wie im Ergebnis in 2C gezeigt ist, eine Edelmetallpaste 34', wie sie vorangehend beschrieben wurde, auf die dem Träger 1 abgewandte Seite 35t der fünften Teilschicht 35 aufgetragen und zu einer Edelmetallpulverschicht getrocknet. Sofern die dem Träger 1 abgewandte Seite 31t der ersten Teilschicht durch ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung gebildet wird (also die Eigenschaften aufweist, die durch die fünfte Teilschicht 35 erreicht werden sollen), ist die fünfte Teilschicht 35 nicht zwingend erforderlich.
  • Allerdings kann eine fünfte Teilschicht 35 auch dann eingesetzt werden, wenn die dem Träger 1 abgewandte Seite 31t der ersten Teilschicht 31 bereits durch ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung gebildet wird, wenn sich aber die Festigkeit der herzustellenden Sinterverbindung durch eine fünfte Teilschicht 35 erhöhen lässt. Dies kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn die dem Träger 1 abgewandte Seite 31t der ersten Teilschicht 31 durch eine Edelmetalllegierung mit hohem Edelmetallanteil (kleiner als 100 Atom%) gebildet wird, wenn aber die Festigkeit der herzustellenden Fügeverbindung erhöht werden soll.
  • Andererseits kann von der Verwendung einer fünften Teilschicht 35 auch dann abgesehen werden, wenn auch ohne sie eine ausreichende Festigkeit der herzustellenden gesinterten Fügeverbindung erzielt werden kann. Sofern keine fünfte Teilschicht 35 eingesetzt wird, kann die Edelmetallpaste 34' unmittelbar auf die dem Träger 1 abgewandte Seite 31t der ersten Teilschicht 31 aufgetragen werden.
  • Unabhängig davon, ob eine fünfte Teilschicht 35 verwendet wird oder nicht, wird, wie im Ergebnis in 2C gezeigt ist, eine als Metallfolie ausgebildete dicke zweite Teilschicht 32 bereitgestellt. Die zweite Teilschicht 32 kann dieselben Eigenschaften aufweisen wie die zweite Teilschicht 32 gemäß 1D.
  • Wie ebenfalls in 2C gezeigt ist, kann auf eine Seite 32b der bereitgestellten zweiten Teilschicht 32 optional eine dünne sechste Teilschicht 36 aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung aufgebracht sein, um die Festigkeit der herzustellenden Sinterverbindung zu erhöhen. Das Aufbringen einer solchen sechsten Teilschicht 36 kann beispielsweise durch galvanisches Abscheiden, durch Sputtern, durch Aufdampfen oder durch eine beliebige Kombination erfolgen. Die sechste Teilschicht 36 kann Eigenschaften aufweisen, wie sie bereits für die fünfte Teilschicht 35 beschrieben wurden.
  • In 2C ist gezeigt, dass die Edelmetallpaste 34' auf den Verbund mit dem Träger 1, der dielektrischen Schicht 2 und der ersten Teilschicht 31 aufgebracht werden kann, d.h. auf die dem Träger 1 abgewandte Seite 35t der fünften Teilschicht 35, oder (falls keine fünfte Teilschicht 35 vorhanden ist) auf die dem Träger 1 abgewandte Seite 31t der ersten Teilschicht 31. Alternativ oder zusätzlich kann die Edelmetallpaste 34' oder eine weitere solche Edelmetallpaste auch auf die der zweiten Teilschicht 32 abgewandte Seite 36b der sechsten Teilschicht 36 aufgetragen werden bzw. (falls keine sechste Teilschicht 36 verwendet wird) auf eine Seite 32b der zweiten Teilschicht 32. In jedem Fall werden die Edelmetallpaste 34' und/oder die weitere solche Edelmetallpaste nach ihrem Auftragen wie bereits erläutert getrocknet.
  • Nach dem Auftragen und Trocknen der Edelmetallpaste 34' und/oder der weiteren Edelmetallpaste wird diese bzw. werden diese derart zwischen einem ersten Fügepartner, der zumindest den Träger 1, die dielektrische Schicht 2 und die erste Teilschicht 31 umfasst, und einem zweiten Fügepartner, der zumindest die zweite Teilschicht 32 umfasst, angeordnet und der erste Fügepartner und der zweite Fügepartner aneinander gepresst, so dass sich eine (ggf. getrocknete) Edelmetallpulverschicht durchgehend zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner erstreckt. Im aneinandergepressten Zustand wird die durchgehende Edelmetallpulverschicht dann gesintert, so dass aus dieser eine gesinterte Edelmetallpulverschicht 34 entsteht, die den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner stoffschlüssig fest miteinander verbindet, was im Ergebnis in 2D gezeigt ist. Das Sintern kann dabei nach dem bereits beschrieben Sinterverfahren erfolgen.
  • Statt sintern und Diffusionslöten kann auch Walzplattieren angewendet werden. Dabei werden z. B. saubere Al und Cu Schichten unter Druck und Wärme mit Hilfe von Walzen aufeinander gedrückt. Anschließend wird in einem Ausheizprozess eine Diffusionszone zwischen den Metallen für eine Verbindung sorgen.
  • Bei dem fertigen Schaltungsträger 100 sind also (jeweils mittelbar oder unmittelbar) aufeinanderfolgend angeordnet (in 2D von unten nach oben): Der Träger 1, die dielektrische Schicht 2, die erste Teilschicht 31, die fünfte Teilschicht 35 (optional), die gesinterte Edelmetallpulverschicht 34, die sechste Teilschicht 36 (optional), und die zweite Teilschicht 32, wobei die einzelnen Optionen unabhängig voneinander gewählt werden können.
  • Anhand der 3A bis 3C wird nun noch ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers 100 erläutert. Während bei den Schaltungsträgern 100 gemäß den 1D bzw. 2D eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten Teilschicht 31 und der zweiten Teilschicht 32 mittels einer Lotschicht 33 bzw. mittels einer gesinterten Schicht 34 besteht, werden bei dem Beispiel gemäß den 3A bis 3C die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 durch Walzplattieren unmittelbar stoffschlüssig miteinander verbunden.
  • Hierzu wird eine Anordnung hergestellt, wie sie in 3A gezeigt ist. Diese Anordnung, die identisch ist mit der Anordnung gemäß 1C, kann ebenso hergestellt werden, wie dies anhand der 1A bis 1C beschrieben wurde. Weiterhin wird eine als Metallfolie ausgebildete dicke zweite Teilschicht 32 bereitgestellt. Die zweite Teilschicht 32 kann dieselben Eigenschaften aufweisen wie die zweite Teilschicht 32 gemäß 1D. Die zweite Teilschicht 32 wird unmittelbar auf die dem Träger 1 abgewandte Seite 31t der ersten Teilschicht 31 aufgelegt. Danach werden der Träger 1 mit der dielektrischen Schicht 2 und der ersten Teilschicht 31 und die auf die erste Teilschicht 31 aufgelegte zweite Teilschicht 32 zwischen zwei gegeneinander gepresste Walzen 201, 202 eingespannt und durch diese miteinander verwalzt, so dass im Ergebnis die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 unmittelbar miteinander verbunden sind.
  • Während des Verwalzens und/oder nach dem Verwalzen werden die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 in einem Bereich (gegenüber Raumtemperatur von 20°C) moderat erhöhter Temperatur, beispielsweise von wenigstens 50°C oder wenigstens 100°C, gehalten. Nach dem Verwalzen folgt noch ein Temperschritt, bei dem der Verbund zwischen der ersten Teilschicht 31 und der zweiten Teilschicht 32 gefestigt wird. Hierzu werden die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 für eine bestimmte Dauer, z. B. wenigstens 2 Stunden, erwärmt, beispielsweise auf Temperaturen von wenigstens 150°C oder von wenigstens 200°C. Optional können die Temperaturen auch so gewählt werden, dass sie während des Temperns kleiner sind als 400°C oder gar kleiner als 300°C. Während des Verwalzens und durch den Temperschritt kommt es an der Grenzfläche zwischen der ersten Teilschicht 31 und der zweiten Teilschicht 32 zu einer Interdiffusion der Metalle der ersten Teilschicht 31 und der zweiten Teilschicht 32, durch die die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 diffusionsverschweißt werden. Damit einhergehend bilden sich aus diesen Metallen eine oder mehrere intermetallische Phasen, durch die die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 fest und stoffschlüssig miteinander verbunden sind. 3C zeigt den fertigen Schaltungsträger 100. Bei dem gezeigten Beispiel besteht die erste Teilschicht 31 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und die zweite Teilschicht 32 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Alternativ dazu können für die erste Teilschicht 31 und/oder die zweite Teilschicht 32 auch die bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen jeweils genannten Materialien eingesetzt werden.
  • Durch das Verwalzen werden die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 miteinander verpresst. Grundsätzlich kann das Verpressen aber auch auf beliebige andere Weise erfolgen, beispielsweise indem die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 unmittelbar aufeinander gelegt und so in einer Presse verpresst werden.
  • Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers 100 kann die Seite 32t der zweiten Teilschicht 32, die sich bei dem fertigen Schaltungsträger 100 auf der dem Träger 1 abgewandten Seite der zweiten Teilschicht 32 befindet, mit einer oder mehreren weiteren Teilschichten versehen werden, und zwar bevor und/oder nachdem die zweite Teilschicht 32 stoffschlüssig mit dem Träger 1 verbunden wurde. Bei einer solchen weiteren Schicht kann es sich beispielsweise um eine dünne Nickelschicht handeln, um die Lötbarkeit bei der Montage der elektrischen Bauelemente zu verbessern und/oder um eine Oxidation der zweiten Teilschicht 32 an der Seite 32t zu verhindern. Ein anderes Beispiel für eine solche weitere Teilschicht ist eine Edelmetallschicht (z. B. aus Silber), um die Qualität einer herzustellenden Sinterverbindung zwischen einem auf dem Schaltungsträger 100 zu montierenden elektrischen Bauelement und dem Schaltungsträger 100 zu erhöhen.
  • Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers 100 kann dessen Metallisierungsschicht 3, nachdem die zweite Teilschicht 32 stoffschlüssig mit dem Träger 1 verbunden wurde, optional strukturiert werden. Dies wird beispielhaft unter Bezugnahme auf 4 anhand des in 1D gezeigten Schaltungsträgers 100 sowie unter Bezugnahme auf 6 anhand des in 2D gezeigten Schaltungsträgers 100 erläutert. 8A zeigt eine Draufsicht auf den Schaltungsträger 100, die sowohl für den Schaltungsträger 100 gemäß 1D als auch für den Schaltungsträger 100 gemäß 2D gilt.
  • Die Beschreibung der 4, 5A und 5B sowie der Draufsichten gemäß den 8A bis 8D gilt in gleicher Weise auch für den bezugnehmend auf die 3A bis 3C erläuterten Schaltungsträger 100. Der einzige Unterschied besteht darin, dass in diesem Fall die erste Teilschicht 31 und die zweite Teilschicht 32 unmittelbar stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dass zwischen diesen also keine als Lotschicht ausgebildete dritte Teilschicht 33 angeordnet ist.
  • Zum Strukturieren wird in der Metallisierungsschicht 3 jeweils eine Grabenstruktur 9 erzeugt, die sich von der dem Träger 1 abgewandten Seite 32t der zweiten Teilschicht 32 durchgehend bis zur dielektrischen Schicht 2 erstreckt. Optional kann die Grabenstruktur 9 so ausgebildet sein, dass sie die (ursprüngliche) Metallisierung 3 in zwei oder mehr galvanisch voneinander getrennte Metallisierungsabschnitte 3-1, 3-2 aufteilt. 8B zeigt eine Draufsicht auf den Schaltungsträger 100 gemäß 8A nach der Herstellung der Grabenstruktur 9. Das Herstellen der Grabenstruktur 9 kann beispielsweise durch maskiertes selektives Ätzen der ursprünglichen Metallisierungsschicht 3 erfolgen. Ebenso kann das Herstellen der Grabenstruktur 9 auch durch Fräsen oder durch Laserablation erfolgen.
  • Unabhängig davon, ob ein Schaltungsträger 100 eine Grabenstruktur 9 aufweist oder nicht, kann der zunächst unbestückte, also nicht mit elektronischen Bauelementen versehene Schaltungsträger 100 auf der dem Träger 1 abgewandten Seite 32t der zweiten Teilschicht 32 (unmittelbar, oder - sofern auf dessen dem Träger 1 abgewandter Seite 32t eine oder mehrere weitere Teilschichten der Metallisierungsschicht 3 angeordnet sind - mittelbar) mit einem oder mehreren aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelementen bestückt werden. Dies wird nachfolgend beispielhaft anhand eines Bauelements 5 erläutert, welches als vertikales Halbleiterbauelement ausgebildet ist, das einen Halbleiterkörper 50 aufweist, der an einander entgegengesetzten Seiten mit Elektroden 51 und 52 versehen ist. Bei dem Bauelement kann es sich z. B. um eine Diode, einen MOSFET, einen IGBT, einen JFET, einen Thyristor handeln. Unabhängig von der Art des Bauelements 5 und unabhängig davon, ob es sich bei dem Bauelement 5 um ein aktives oder ein passives elektronisches Bauelement handelt, weist es zumindest eine Elektrode 52 auf, an der es mit der Metallisierungsschicht 3 oder einem Abschnitt 3-1, 3-2 (im Beispiel der Abschnitt 3-1) der Metallisierungsschicht 3 stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden werden soll.
  • Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrode 52 und der Metallisierungsschicht 3 bzw. einem ihrer Abschnitte 3-1, 3-2 kann zum Beispiel mittels einer Lotschicht 4 erfolgen, was in 5A für den Schaltungsträger gemäß 4 gezeigt ist.
  • Ebenso kann die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrode 52 und der Metallisierungsschicht 3 bzw. einem ihrer Abschnitte 3-1, 3-2 auch mittels einer gesinterten Edelmetallpulverschicht 6 erfolgen, was im Ergebnis in 7A für den Schaltungsträger 100 gemäß 6 gezeigt ist. Das Herstellen der gesinterten Edelmetallpulverschicht 6 kann nach demselben Verfahren erfolgen wie das Herstellen der gesinterten Edelmetallpulverschicht 34 gemäß 6
  • 8C zeigt eine Draufsicht auf den mit dem Bauelement 5 bestückten Schaltungsträger 100 gemäß den 5A oder 7A.
  • Grundsätzlich können optional beliebige weitere aktive und/oder passive elektronische Bauelemente auf der Metallisierungsschicht 3 oder einem Abschnitt 3-1, 3-2 hiervon montiert und elektrisch verschaltet werden.
  • Ein Beispiel für eine elektrische Verschaltung des bereits erläuterten Bauelements 5 zeigen 5B für die Anordnung gemäß 5A bzw. 7B für die Anordnung gemäß 7A. Eine Draufsicht der Anordnungen gemäß den 5B und 7B zeigt 8D. Dargestellt ist ein elektrischer Verbindungsleiter 7, der eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrode 51 und einem weiteren Abschnitt 3-2 der Metallisierungsschicht 3 herstellt. Der mit der Elektrode 52 elektrisch leitend verbundene Metallisierungsabschnitt 3-1 ist von dem Abschnitt 3-2 beabstandet. Zwischen den Metallisierungsabschnitten 3-1 und 3-2 besteht keine dauerhaft durchgehende metallische und elektrisch leitende Verbindung.
  • Generell kann die Größe der Grundfläche A2 (siehe die 8A und 8B) der dielektrischen Schicht 2 eines Schaltungsträgers 100 beliebig gewählt werden. Die dielektrische Schicht 2 kann die Metallisierungsschicht 3 optional in seitlicher Richtung umlaufend überragen, um die Isolationsfestigkeit zischen der metallischen Oberfläche 1t des Trägers 1 und der Metallisierungsschicht 3 sicherzustellen. Die Grundfläche A2 der dielektrischen Schicht 2 kann beispielsweise wenigstens 10 mm x 10 mm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Grundfläche A3 der Metallisierungsschicht 3 größer sein als das-0,9-fache einer Grundfläche A2 der dielektrischen Schicht 2. Das bedeutet, dass sich die Metallisierungsschicht 3 optional über einen sehr großen Bereich der dielektrischen Schicht 2 erstrecken kann. Sofern die Metallisierungsschicht 3 zwei oder mehr voneinander getrennte Abschnitte 3-1, 3-2 aufweist, errechnet sich die Grundfläche A3 der Metallisierungsschicht 3 aus der Summe der Grundflächen A3-1, A3-2 von sämtlichen ihrer Abschnitte 3-1, 3-2. Als Grundflächen werden jeweils die größtmöglichen Projektionsflächen angesehen, die durch eine Orthogonalprojektion der betreffenden Schicht bzw. des betreffenden Abschnitts auf eine Ebene erzielt werden kann.
  • Die bei der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen zur Unterscheidung der Teilschichten 31 bis 36 verwendeten Bezeichnungen „erste“, „zweite“... „sechste“ Teilschicht dient lediglich dazu, verschiedenartige Teilschichten voneinander zu unterscheiden. Diese Bezeichnungen beziehen sich weder auf eine Herstellungsreihenfolge der Teilschichten 31 bis 36, noch auf die Reihenfolge, in der sie angeordnet sind. Diese Bezeichnungen stellen außerdem keine Angabe über die Gesamtzahl der Teilschichten der Metallisierungsschicht 3 dar.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (100) mit den Schritten: Bereitstellen eines metallischen Trägers (1); Bereitstellen einer Metallfolie; Erzeugen einer dielektrischen Schicht (2) an einer metallischen Oberfläche (1t) des Trägers (1) durch Oxidation des Trägers (1); Erzeugen einer Metallisierungsschicht (3), die eine erste Teilschicht (31) und eine zweite Teilschicht (32) aufweist, auf der dem Träger (1) abgewandten Seite der dielektrischen Schicht (2), indem - auf der dem Träger (1) abgewandten Seite der dielektrischen Schicht (2) die erste Teilschicht (31) erzeugt wird; und nachfolgend - die Metallfolie als zweite Teilschicht (32) auf die dem Träger (1) abgewandte Seite der ersten Teilschicht (31) aufgebracht und unmittelbar mit dieser verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die dielektrische Schicht (2) durch eine Oxidkeramik gebildet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die dielektrische Schicht (2) als Aluminiumoxid-Schicht oder als Zirconiumdioxid-Schicht oder als TitanoxidSchicht oder als Magnesiumoxid-Schicht oder als Zinkoxid-Schicht ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die dielektrische Schicht (2) eine Schichtdicke (d2) von wenigstens 10 µm und/oder von höchstens 150 µm aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilschicht (31) eine Schichtdicke (d31) von mindestens 0,2 µm und/oder von höchstens 7 µm aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilschicht (31) durch galvanisches Abscheiden, durch Sputtern, durch Aufdampfen, oder durch eine Kombination hiervon erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilschicht (31) aus Aluminium oder Silber oder Nickel oder Palladium oder Titan oder Kupfer besteht oder zumindest eines dieser Metalle aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Teilschicht (32) aus Kupfer oder Aluminium oder Silber oder Gold oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle besteht.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Teilschicht (32) eine Schichtdicke (d32) aufweist, die mindestens 70 µm und/oder von höchstens 600 µm beträgt; und/oder mindestens das 10-fache der Schichtdicke (d31) der ersten Teilschicht beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die dielektrische Schicht (2) eine erste Grundfläche (A2) aufweist, die wenigstens 10 mm x 10 mm beträgt; und/oder die Metallisierungsschicht (3) eine zweite Grundfläche (A3) aufweist, die im Bereich zwischen dem 0,9-fachem und 1,0-fachen der ersten Grundfläche (A2) liegt.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das unmittelbare miteinander Verbinden der ersten Teilschicht (31) und der Metallfolie dadurch erfolgt, dass die Metallfolie und die dem Träger (1) abgewandte Seite (31t) der ersten Teilschicht (31) unmittelbar aneinander gelegt und so miteinander verpresst werden; und die erste Teilschicht (31) und die Metallfolie im miteinander verpressten Zustand für wenigstens 2 Stunden auf Temperaturen von wenigstens 150°C erwärmt und dadurch miteinander diffusionsverschweißt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Erzeugen der dielektrischen Schicht (2) durch elektrolytische Oxidation des Trägers (1) erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erzeugte Metallisierungsschicht (3) strukturiert wird.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der hergestellte Schaltungsträger (100) unbestückt ist.
  15. Verfahren zum Bestücken eines Schaltungsträgers (100) mit einem elektronischen Bauteil (5) mit den Schritten: Herstellen eines Schaltungsträgers (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche; Bereitstellen eines elektronischen Bauteils (5); Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der dem Träger (1) abgewandten Seite der zweiten Teilschicht (32) und dem elektronischen Bauteil (5).
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