DE102014109183A1

DE102014109183A1 - Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers und zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einer Metallisierungsschicht eines Schaltungsträgers

Info

Publication number: DE102014109183A1
Application number: DE102014109183.3A
Authority: DE
Inventors: Marianna Nomann; Guido Strotmann; Mark Essert; Thomas Nübel
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US10092974B2; US20160001393A1; CN105244293A; CN105244293B

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (10). Hierzu wird ein elektrisch isolierender Träger (1) bereitgestellt, der eine Oberseite (1t) aufweist, sowie eine der Oberseite (1t) entgegengesetzte Unterseite (2t). Ebenfalls bereitgestellt werden eine erste Metallfolie (21) und ein Härtungsmaterial (20). Dann wird eine auf der Oberseite (1t) angeordnete obere Metallisierungsschicht (2) hergestellt, die ein Härtungsgebiet (25) aufweist. Dabei wird zumindest ein zusammenhängender Abschnitt (250) des Härtungsgebiets (25) dadurch erzeugt, dass zumindest ein Teil des Härtungsmaterials (20) in die erste Metallfolie (21) eindiffundiert wird.

Description

Zur Herstellung von Leistungshalbleitermodulen werden als Schaltungsträger häufig Substrate eingesetzt, die eine elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise aus Keramik, aufweisen, die mit einer Metallisierungsschicht versehen ist. Die Metallisierungsschicht dient zur Montage und Verschaltung elektrischer Bauelemente. Um beispielsweise elektrische Anschlussleitungen oder andere Leiter elektrisch leitend mit der Metallisierungsschicht zu verbinden, werden häufig Ultraschallschweißverfahren eingesetzt. Hierbei wird der Leiter durch eine Sonotrode gegen die Metallisierungsschicht gepresst und mittels Ultraschall relativ zur Metallisierungsschicht in Schwingung versetzt. Die Relativbewegung der beiden Schweißpartner in Kombination mit einer wirkenden Anpresskraft führt zur Ausbildung einer sehr festen und temperataturwechselstabilen elektrisch leitenden Verbindung.
Aufgrund der hohen erforderlichen Anpresskraft besteht allerdings die Gefahr, dass die isolierende Schicht beschädigt wird und Ihre Isolationsfestigkeit einbüßt. Diese Problematik steigt mit zunehmendem Querschnitt des anzuschweißenden Leiters, weil höhere Leiterquerschnitte höhere Anpresskräfte erfordern. Da die isolierende Schicht nicht beschädigt werden darf, müssen die Prozessparameter beim Ultraschallschweißen häufig außerhalb des für ein optimales Ultraschallschweißergebnis wünschenswerten Parameterraums gewählt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers bereitzustellen, der eine Metallisierungsschicht und eine elektrisch isolierende Schicht aufweist und mit dessen Metallisierungsschicht sich auch ein Leiter mit hohem Leiterquerschnitt durch Ultraschallschweißen ohne Beschädigung der elektrisch isolierenden Schicht verbinden lässt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich auch ein Leiter mit hohem Leiterquerschnitt durch Ultraschallschweißen mit einer Metallisierungsschicht eines Schaltungsträgers verbinden lässt, ohne dabei eine elektrisch isolierende Schicht des Schaltungsträgers zu beschädigen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einer Metallisierungsschicht eines Schaltungsträgers gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
Zur Herstellung eines Schaltungsträgers werden ein elektrisch isolierender Träger bereitgestellt, sowie eine erste Metallfolie und ein Härtungsmaterial. Der elektrisch isolierende Träger weist eine Oberseite auf, sowie eine der Oberseite entgegengesetzte Unterseite. Weiterhin wird eine obere Metallisierungsschicht erzeugt, die auf der Oberseite angeordnet ist und die ein Härtungsgebiet aufweist. Zumindest ein Abschnitt des Härtungsgebiets wird dadurch erzeugt, dass zumindest ein Teil des Härtungsmaterials in die erste Metallfolie eindiffundiert wird.
Zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einer Metallisierungsschicht eines Schaltungsträgers wird ein Schaltungsträger bereitgestellt, der einen elektrisch isolierenden Träger mit einer Oberseite und einer der Oberseite entgegengesetzten Unterseite aufweist, sowie eine obere Metallisierungsschicht, die auf der Oberseite angeordnet ist und die ein Härtungsgebiet mit einer ersten Härte aufweist, sowie ein von dem Härtungsgebiet verschiedenes Gebiet, das eine zweite Härte besitzt, die geringer ist als die erste Härte. Dabei weist das Härtungsgebiet einen zusammenhängenden Abschnitt auf. Auf der Seite der oberen Metallisierungsschicht, die dem elektrisch isolierenden Träger abgewandt ist, wird eine Verbindungsstelle festgelegt. Die Lage der Verbindungsstelle ist so gewählt, dass das Härtungsgebiet zwischen der Verbindungsstelle und dem elektrisch isolierenden Träger angeordnet ist. An der Verbindungsstelle wird zwischen der oberen Metallisierungsschicht und dem Leiter eine elektrisch leitende, stoffschlüssige Verbindung durch Ultraschallschweißen hergestellt.
Im Sinne der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Angaben zur Härte eines Materials, soweit nichts anderes angegeben ist, auf die Messung nach DIN EN ISO 14577 ("Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter"), und zwar in Verbindung mit dem Prüfparameter "Kraftgesteuerte Versuche bis zu einer maximalen Kraft von 9 mN" bei Verwendung eines Nanoindenters mit Berkovich-Spitze und einer Prüfdauer von 20 Sekunden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
1A bis 1C verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers.
2 das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und der oberen Metallisierungsschicht des Schaltungsträgers gemäß 1C durch Ultraschallschweißen.
3A bis 3C verschiedene Schritte eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers.
4 das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und der oberen Metallisierungsschicht des Schaltungsträgers gemäß 3C durch Ultraschallschweißen.
5A bis 5C verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers.
6 das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und der oberen Metallisierungsschicht des Schaltungsträgers gemäß 5C durch Ultraschallschweißen.
7A bis 7B verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers, dessen Härtungsgebiet wenigstens zwei voneinander beabstandete, jeweils zusammenhängende Abschnitte aufweist.
8A bis 8B verschiedene Schritte eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers, dessen Härtungsgebiet wenigstens zwei voneinander beabstandete, jeweils zusammenhängende Abschnitte aufweist.
9 eine Draufsicht auf einen Schaltungsträger mit einer oberen Metallisierungsschicht, die ein Härtungsgebiet aufweist.
Sofern nicht anders angegeben bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
1A zeigt eine Anordnung mit einem elektrisch isolierenden Träger 1. Der Träger 1 weist eine Oberseite 1t und eine der Oberseite 1t entgegengesetzte Unterseite 1b auf und besitzt eine Dicke d1. Die Dicke d1 kann prinzipiell beliebig gewählt werden, sie kann beispielweise wenigstens 0,2 mm betragen und/oder höchstens 2 mm. Optional kann der Träger 1 als ebene, dünne Schicht ausgebildet sein, allerdings kann er prinzipiell beliebig geformt sein.
Der Träger 1 kann beispielsweise als Keramik ausgebildet sein. Er kann zum Beispiel eines oder eine Kombination der folgenden Keramikmaterialien aufweisen oder aus einem oder einer Kombination der folgenden Keramikmaterialien bestehen: Aluminiumoxid (Al₂O₃); Aluminiumnitrid (AlN); Berylliumoxid (BeO); Zirkoniumoxid (ZrO₂); Yttriumoxid (Y₂O₃); Kalziumoxid (CaO); Magnesiumoxid (MgO); Borcarbid (B₄C); Siliziumnitrid (Si₃N₄); Bornitrid (BN); Diamant; andere Kohlenstoffmodifikationen als Diamant.
Optional kann der Träger 1 insgesamt aus Keramik bestehen, wobei Gläser im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht als Keramiken angesehen werden. Der Träger 1 kann einen Keramikanteil von wenigstens 90 Gew.% (Gewichtsprozent) aufweisen.
Auf die Oberseite 1t ist eine erste Metallfolie 21 aufgebracht und stoffschlüssig mit dem Träger 1 verbunden. Dabei kann die erste Metallfolie 21 wie dargestellt unmittelbar an die Oberseite 1t angrenzen, es können sich aber auch eine oder mehrere metallische oder nichtmetallische Zwischenschichten zwischen dem Träger 1 und der ersten Metallfolie 21 befinden.
Wie bei allen Ausgestaltungen kann optional auf die Unterseite 1b eine untere Metallisierungsschicht 4 aufgebracht und stoffschlüssig mit dem Träger 1 verbunden sein. Die untere Metallisierungsschicht 4 kann wie dargestellt unmittelbar an die Unterseite 1b angrenzen. Es können sich aber auch eine oder mehrere metallische oder nichtmetallische Zwischenschichten zwischen dem Träger 1 und der untern Metallisierungsschicht 4 befinden.
Im Sinne der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Angaben zur Härte eines Materials, soweit nichts anderes angegeben ist, auf die Messung nach DIN EN ISO 14577 ("Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter"), und zwar in Verbindung mit dem Prüfparameter "Kraftgesteuerte Versuche bis zu einer maximalen Kraft von 9 mN" bei Verwendung eines Nanoidenters mit Berkovich-Spitze und einer Prüfdauer von 20 Sekunden.
Die erste Metallfolie 21 weist eine Härte H21 auf. Um die Härte H21 der ersten Metallfolie 21 zumindest lokal zu erhöhen, wird auf deren dem Träger 1 abgewandte Seite ein Härtungsmaterial 20 aufgebracht und während eines Temperschrittes, bei dem die erste Metallfolie 21 und das Härtungsmaterial 20 auf Temperaturen von wenigstens 350°C erwärmt werden, vollständig oder zumindest teilweise in die erste Metallfolie 21 eindiffundiert. Die Temperaturen sind dabei niedriger gewählt als der Schmelzpunkt der ersten Metallfolie 21. Das Härtungsmaterial 20 ist so auf das Material der ersten Metallfolie 21 abgestimmt, dass es in der ersten Metallfolie 21 zumindest lokal, wie im Ergebnis in 1B gezeigt ist, zur Ausbildung eines Härtungsgebiets 25 kommt, welches eine Härte H25 aufweist, die höher ist als die ursprüngliche Härte H21 der ersten Metallfolie 21. Die Entstehung des Härtungsgebiets 25 beruht auf einer durch das Eindiffundieren des Härtungsmaterials 20 bedingten Ausscheidungshärtung. Optional kann die Härte H25 um wenigstens 10% größer sein als die ursprüngliche Härte H21.
Für eine zu härtende Metallfolie, beispielsweise die erste Metallfolie 21, die aus Kupfer besteht, eignen sich z. B. einer oder mehrere der folgenden Stoffe als Härtungsmaterial 20: Beryllium (Be), Silber (Ag), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Phosphor (P), Zink (Zn), Nickel (Ni), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr).
Weiterhin eigenen sich für eine zu härtende Metallfolie, beispielsweise die erste Metallfolie 21, die aus Aluminium besteht, z. B. einer oder mehrere der folgenden Stoffe als Härtungsmaterial 20: Kupfer (Cu), Zink (Zn), Magnesium (Mg), Silizium (Si), Mangan (Mn).
Das Härtungsgebiet 25 führt in jedem Fall zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität der ersten Metallfolie 21, wodurch ein unterhalb des Härtungsgebiets 25 befindlicher Abschnitt 11 des Trägers 1 mechanisch geschützt wird. Wird nun ein elektrischer Leiter oberhalb des Härtungsgebiets 25 durch Ultraschallschweißen an die erste Metallfolie 21 geschweißt, so können die zum Ultraschallschweißen verwendeten Prozessparameter (zum Beispiel die Anpresskraft, mit der eine Sonotrode den elektrischen Leiter gegen die obere Metallisierungsschicht 2 presst) so gewählt werden, dass das erzielte Ultraschallschweißergebnis (also die Festigkeit der Schweißverbindung) besser ist als bei einer abgesehen von dem fehlenden Härtungsgebiet 25 identischen, herkömmlichen Anordnung.
Ein auf diese Weise hergestellter Schaltungsträger 10 kann bereits zur Montage eines oder mehrerer aktiver und/oder passiver elektronischer Bauelemente genutzt werden. Unmittelbar nach der Herstellung der das Härtungsgebiet 25 aufweisenden oberen Metallisierungsschicht 2 kann der Schaltungsträger 10 völlig unbestückt sein, insbesondere kann er nicht mit aktiven und/oder passiven elektronischen Bauteilen bestückt sein, und erst danach mit solchen bestückt werden.
Optional kann die obere Metallisierungsschicht 2, bevor diese bestückt wird (1B und 1C), zu Leiterbahnen und/oder Montageflächen 51, 52, 53, 54 strukturiert werden, was beispielhaft in 1C gezeigt ist. Das Strukturieren kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Ätzen oder Fräsen oder Laserbearbeitung.
Wie ebenfalls aus 1C hervorgeht, kann ein Härtungsgebiet 25 einen oder mehrere zusammenhängende Abschnitte 250 aufweisen.
Wie in 2 am Beispiel des Schaltungsträgers 10 gemäß 1C dargestellt ist, kann an eine obere Metallisierungsschicht 2, die ein Härtungsgebiet 25 aufweist, ein elektrischer Leiter 7 durch Ultraschallschweißen geschweißt werden. Hierzu wird auf der dem Träger 1 abgewandten Seite der oberen Metallisierungsschicht 2 eine Verbindungsstelle 28 (1C) festgelegt. Die Lage der Verbindungsstelle 28 ist so gewählt, dass das Härtungsgebiet 25 zwischen der Verbindungsstelle 28 und dem Träger 1 angeordnet ist. An der Verbindungsstelle 28 wird nun durch Ultraschallschweißen eine elektrisch leitende, stoffschlüssige Verbindung zwischen der oberen Metallisierungsschicht 2 und dem Leiter 7 hergestellt.
Hierzu wird der Leiter 7 mit einer Anpresskraft F durch eine Sonotrode 6 gegen die dem Träger 1 abgewandte Seite der oberen Metallisierungsschicht 2 gepresst. Der Leiter 7 liegt dabei unmittelbar an der oberen Metallisierungsschicht 2 an. Während des Einwirkens der Anpresskraft F auf den Leiter 7 wird die Sonotrode 6 in eine Schwingung im Ultraschallbereich (≥ 15 kHz) versetzt. Die Schwingung kann dabei – wie in 2 anhand horizontaler Pfeile angedeutet, als lineare Schwingung ausgebildet sein, bei der die Sonotrode 6 im Wesentlichen parallel zur Oberseite 1t hin und her schwingt. Alternativ könnte Schwingung auch als Rotationsschwingung um eine Achse erfolgen, die senkrecht zur Oberseite 1t durch die Verbindungsstelle 28 verläuft.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1B und 1C erstreckt sich das Härtungsgebiet 25 bis zu der dem Träger 1 abgewandten Seite der ersten Metallfolie 21, wo er frei zugänglich ist und sich somit an der Oberfläche des Schaltungsträgers 10 befindet. Optional könnten jedoch auf einen Schaltungsträger 10, sei es vor einem Strukturieren der oberen Metallisierungsschicht 2 (1B) oder danach (1C) noch eine oder mehrere weitere Metallschichten derart auf das Härtungsgebiet 25 gebracht werden, dass sich das Härtungsgebiet 25 zwischen dem Träger 1 und einer jeden dieser weiteren Metallschichten befindet. In diesem Fall wären die eine oder die mehreren weiteren Metallschichten Bestandteil der oberen Metallisierungsschicht 2. Die Verbindungsstelle 28 befände sich dann auf der dem Träger 1 abgewandten Seite der einen oder der obersten der mehreren weiteren Metallschichten. Nach dem Ultraschallverschweißen eines elektrischen Leiters 7 mit der oberen Metallisierungsschicht 2 an der Verbindungsstelle 28 wären die eine oder die mehreren Metallschichten jeweils zwischen dem elektrischen Leiter 7 und dem Härtungsgebiet 25 angeordnet.
Das Erzeugen des Härtungsgebiets 25 (ab dem Aufbringen des Härtungsmaterials 20 auf die erste Metallfolie 21) kann wie erläutert in einem Zustand erfolgen, in dem die erste Metallfolie 21 bereits stoffschlüssig mit der Oberseite 1t des Trägers 1 verbunden ist. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Härtungsgebiet 25 zunächst in der ersten Metallfolie 21 zu erzeugen und erst danach die erste Metallfolie 21 zusammen mit dem Härtungsgebiet 25 stoffschlüssig mit der Oberseite 1t des Trägers 1 zu verbinden.
Ein weiteres Beispiel zur Herstellung eines Schaltungsträgers 10 mit einer ein Härtungsgebiet 25 aufweisenden oberen Metallisierungsschicht 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C erläutert. Hierbei wird das Härtungsmaterial 20, wie in 3A gezeigt, zwischen die erste Metallfolie 21 und eine zweite Metallfolie 22 eingebracht. Nachfolgend wird während eines Temperschrittes, bei dem die erste Metallfolie 21, die zweite Metallfolie 22 und das Härtungsmaterial 20 auf Temperaturen von wenigstens 350°C erwärmt werden, ein Teil des Härtungsmaterials 20 in die erste Metallfolie 21 eindiffundiert und ein weiterer Teil in die zweite Metallfolie 22.
3B zeigt den Schaltungsträger 10 nach der Herstellung des Härtungsgebiets 25. Wenn das Härtungsmaterial 20 – wie im Ergebnis in 3B gezeigt – vollständig in die erste Metallfolie 21 und die zweite Metallfolie 22 eindiffundiert wurde, entsteht ein zusammenhängendes Härtungsgebiet 25. Wenn anderenfalls nach dem Temperschritt ein Teil des Härtungsmaterials 20 zwischen der ersten Metallfolie 21 und der zweiten Metallfolie 22 zurückbliebe, entstünden zwei voneinander getrennte Härtungsgebiete: Ein erster in der ersten Metallfolie 21 und ein zweiter in der zweiten Metallfolie 22. In beiden Fällen ist das Härtungsmaterial 20 so auf das Material oder die Materialien der ersten Metallfolie 21 und der zweiten Metallfolie 22 abgestimmt, dass das Härtungsgebiet 25 eine Härte H25 aufweist, die höher ist als die ursprüngliche Härte H21 der ersten Metallfolie 21 und/oder höher als die ursprüngliche Härte H22 der zweiten Metallfolie 22. Alternativ oder zusätzlich kann das Härtungsgebiet 25 auch einen reduzierten Elastizitätsmodul E_r25 aufweisen, der höher ist als der ursprüngliche reduzierte Elastizitätsmodul E_r21 der ersten Metallfolie 21 und/oder höher als die ursprüngliche Härte H22 der zweiten Metallfolie 22.
Optional kann die Härte H25 um wenigstens 10% größer sein als die Härte H21 und/oder um wenigstens 10% größer als die Härte H22. Ebenfalls optional kann der reduzierte Elastizitätsmodul E_r25 um wenigstens 10% höher sein ist als der ursprüngliche reduzierte Elastizitätsmodul E_r21 und/oder um wenigstens 10% höher als der ursprüngliche reduzierte Elastizitätsmodul E_r22 der zweiten Metallfolie 22.
Ein Schaltungsträger 10, wie er bezugnehmend auf die 3A und 3B beschrieben wurde, kann bereits zur Montage eines oder mehrerer elektronischer Bauelemente genutzt werden. Optional kann die obere Metallisierungsschicht 2, bevor diese bestückt wird (3B und 3C), zu Leiterbahnen und/oder Montageflächen 51, 52, 53, 54 strukturiert werden, was beispielhaft in 3C gezeigt ist. Das Strukturieren kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Ätzen oder Fräsen oder Laserbearbeitung.
Wie in 4 am Beispiel des Schaltungsträgers 10 gemäß 3C dargestellt ist, kann an die obere Metallisierungsschicht 2, die ein Härtungsgebiet 25 aufweist, ein elektrischer Leiter 7 durch Ultraschallschweißen geschweißt werden. Hierzu wird auf der dem Träger 1 abgewandten Seite der oberen Metallisierungsschicht 2 eine Verbindungsstelle 28 (3C) festgelegt. Die Lage der Verbindungsstelle 28 ist wiederum – wie bei allen Varianten der Erfindung – so gewählt, dass das Härtungsgebiet 25 zwischen der Verbindungsstelle 28 und dem Träger 1 angeordnet ist. Das Anschweißen des Leiters 7 an der Verbindungsstelle 28 erfolgt so, wie dies bezugnehmend auf 2 bereits erläutert wurde.
Noch ein anderes Beispiel zur Herstellung eines Schaltungsträgers 10 mit einer ein Härtungsgebiet 25 aufweisenden oberen Metallisierungsschicht 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5A bis 5C erläutert. Hierbei wird das Härtungsmaterial 20, wie in 5A gezeigt, zwischen die erste Metallfolie 21 und den Träger 1 eingebracht. Nachfolgend wird das Härtungsmaterial 20 während eines Temperschrittes, bei dem die erste Metallfolie 21 und das Härtungsmaterial 20 auf Temperaturen von wenigstens 350°C erwärmt werden, vollständig oder zumindest teilweise in die erste Metallfolie 21 eindiffundiert. Das Härtungsmaterial 20 kann dabei Bestandteil eines Aktivlotes sein, mit dem die erste Metallfolie 21 durch Aktiv-Hartlöten mit dem Träger 1 verbunden wird.
5B zeigt den Schaltungsträger 10 nach der Herstellung des Härtungsgebiets 25. Das Härtungsmaterial 20 ist so auf das Material oder die Materialien der ersten Metallfolie 21 abgestimmt, dass das Härtungsgebiet 25 eine Härte H25 aufweist, die höher ist als die ursprüngliche Härte H21 der ersten Metallfolie 21. Optional kann die Härte H25 um wenigstens 10% größer sein als die Härte H21.
Ein Schaltungsträger 10, wie er bezugnehmend auf die 5A und 5B beschrieben wurde, kann bereits zur Montage eines oder mehrerer elektronischer Bauelemente genutzt werden. Optional kann die obere Metallisierungsschicht 2, bevor diese bestückt wird (5B und 5C), zu Leiterbahnen und/oder Montageflächen 51, 52, 53, 54 strukturiert werden, was beispielhaft in 5C gezeigt ist. Das Strukturieren kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Ätzen oder Fräsen oder Laserbearbeitung.
Wie in 6 am Beispiel des Schaltungsträgers 10 gemäß 5C dargestellt ist, kann an die obere Metallisierungsschicht 2, die ein Härtungsgebiet 25 aufweist, ein elektrischer Leiter 7 durch Ultraschallschweißen geschweißt werden. Hierzu wird auf der dem Träger 1 abgewandten Seite der oberen Metallisierungsschicht 2 eine Verbindungsstelle 28 (5C) festgelegt. Die Lage der Verbindungsstelle 28 ist wiederum – wie bei allen Varianten der Erfindung – so gewählt, dass das Härtungsgebiet 25 zwischen der Verbindungsstelle 28 und dem Träger 1 angeordnet ist. Das Anschweißen des Leiters 7 an der Verbindungsstelle 28 erfolgt so, wie dies bezugnehmend auf 2 bereits erläutert wurde.
Wie bereits anhand der vorangegangenen Ausführungsbeispiele erläutert wurde, kann ein Härtungsgebiet 25 genau einen (1B, 3B und 5B) oder aber mehrere (1C, 3C und 5C) jeweils (im mathematischen Sinn) zusammenhängende Abschnitte 250 aufweisen. Wie anhand der Ausführungsbeispielen gemäß den 1C, 3C und 5C zu erkennen ist, können diese dadurch hergestellte werden, dass ein vorangehend erzeugtes Härtungsgebiet 25 durch Strukturieren der oberen Metallisierungsschicht 2 in wenigstens zwei jeweils zusammenhängende Abschnitte 250 aufgeteilt wurde.
Ein weiteres Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers, dessen Härtungsgebiet 25 wenigstens zwei voneinander beabstandete, jeweils zusammenhängende Abschnitte 250 aufweist, ist in den 7A und 7B erläutert. Das Verfahren zur Herstellung der Abschnitte 250 (7B) entspricht dem anhand der 1A bis 1B erläuterten Verfahren mit dem Unterschied, dass das Härtungsmaterial 20 in wenigstens zwei voneinander beabstandeten Teilen auf die dem Träger 1 abgewandte Seite der ersten Metallfolie 21 aufgebracht wird. Dadurch entsteht durch den Temperschritt ein Härtungsgebiet 25 mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten, jeweils zusammenhängenden Abschnitten 250.
Noch ein anderes Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers, dessen Härtungsgebiet 25 wenigstens zwei voneinander beabstandete, jeweils zusammenhängende Abschnitte 250 aufweist, wird nun bezugnehmend auf die 8A und 8B erläutert. Das Verfahren zur Herstellung der Abschnitte 250 (8B) entspricht dem anhand der 3A bis 3B erläuterten Verfahren mit dem Unterschied, dass das Härtungsmaterial 20 nicht vollständig sondern nur teilweise in die erste Metallfolie 21 und die zweite Metallfolie 22 eindiffundiert wird. Nach dem Temperschritt liegen zwei voneinander beabstandete, jeweils zusammenhängende Abschnitte 250 vor, zwischen denen ein Rest des Härtungsmaterials 20 verbleibt.
Wie vorangehend erläutert wurde, weist ein Härtungsgebiet 25 einer oberen Metallisierungsschicht 2 zumindest einen zusammenhängenden Abschnitt 250 auf. Dabei kann ein Härtungsgebiet 25 genau einen zusammenhängenden Abschnitt 250 auf, oder aber wenigstens zwei jeweils zusammenhängende Abschnitte 250. Grundsätzlich kann die Anzahl der zusammenhängenden Abschnitte 250 jedoch beliebig gewählt werden.
Unabhängig von der Anzahl der zusammenhängenden Abschnitte 250 kann dieser eine Dicke d25 von beispielsweise wenigstens 5 µm und/oder von höchstens 100 µm aufweisen. Dabei ist die Dicke d25 senkrecht zur Oberseite 1t des Trägers 1 zu ermitteln.
Alternativ oder zusätzlich kann ein derartiger zusammenhängender Abschnitt 250 eine Grundfläche A250 von wenigstens 1 mm² oder wenigstens 4 mm² aufweisen. 9 zeigt eine Draufsicht auf einen Schaltungsträger 10, dessen obere Metallisierungsschicht 2 ein Härtungsgebiet mit einem zusammenhängenden Abschnitt 250 mit einer Grundfläche A250 aufweist. In der vorliegenden Draufsicht kann der zusammenhängende Abschnitt 250 abhängig von der Lage, die er in der oberen Metallisierungsschicht 2 einnimmt, verdeckt oder sichtbar sein kann. Deshalb ist seine Begrenzungslinie gestrichelt dargestellt. Die Grundfläche A250 ist dabei durch die Größe der Projektionsfläche einer Orthogonalprojektion des zusammenhängenden Abschnitts 250 auf eine zur Oberseite 1t parallele Ebene gegeben.
Nachfolgend werden noch einige weitere Aspekte erläutert, die sich – soweit nichts anderes erwähnt ist – bei allen Ausgestaltungen der Erfindung realisieren lassen. Diese weiteren Aspekte können – soweit nichts anderes erwähnt ist – auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden.
Gemäß einem ersten Aspekt kann ein zusammenhängender Abschnitt 250 an jeder Stelle eine erste Härte H21 aufweisen, die größer ist als eine zweite Härte H21 der ersten Metallfolie 21.
Gemäß einem zweiten Aspekt kann das Härtungsgebiet 25 an jeder Stelle eine erste Härte H25 aufweisen, die größer ist als eine zweite Härte H21 der ersten Metallfolie 21.
Gemäß einem dritten Aspekt kann ein zusammenhängender Abschnitt 250 an jeder Stelle einen ersten reduzierten Elastizitätsmodul E_r250 aufweisen, der größer ist als der zweite reduzierte Elastizitätsmodul E_r21 der ersten Metallfolie 21.
Gemäß einem vierten Aspekt kann das Härtungsgebiet 25 an jeder Stelle einen ersten reduzierten Elastizitätsmodul E_r25 aufweisen, der größer ist als ein zweiter reduzierter Elastizitätsmodul E_r21 ersten Metallfolie 21.
Gemäß einem fünften Aspekt kann der bereitgestellte Träger 1 als Keramikschicht ausgebildet sein, oder als Grünling, der während des Herstellungsverfahrens des Schaltungsträgers 10 zu einer Keramik gesintert wird. Sofern der bereitgestellte Träger 1 als Grünling ausgebildet ist, wird dieser gesintert, bevor die dem Träger 1 abgewandte Seite der oberen Metallisierungsschicht 2 mit einem elektronischen Bauelement bestückt wird und bevor ein elektrischer Leiter 7 durch Ultraschallschweißen mit der dem Träger 1 abgewandten Seite der oberen Metallisierungsschicht 2 verbunden wird.
Gemäß einem sechsten Aspekt kann die obere Metallisierungsschicht 2 eine Dicke d2 von wenigstens 0,2 mm aufweisen.
Gemäß einem siebten Aspekt kann die obere Metallisierungsschicht 2 eine Dicke d2 von höchsten 2 mm aufweisen.
Gemäß einem achten Aspekt kann der bereitgestellte elektrisch isolierende Träger 1 als Keramikschicht ausgebildet sein, die vor und/oder während und/oder nach der Herstellung des Härtungsgebiets 25 stoffschlüssig mit der ersten Metallfolie 21 verbunden wird.
Gemäß einem zum achten Aspekt alternativen neunten Aspekt kann der bereitgestellte elektrisch isolierende Träger 1 als Grünling ausgebildet sein, der vor und/oder während und/oder nach der Herstellung des Härtungsgebiets 25 stoffschlüssig mit der ersten Metallfolie 21 verbunden wird.
Gemäß einem zehnten Aspekt kann ein elektrischer Leiter 7, der durch Ultraschallschweißen an einer vorgegebenen Verbindungsstelle 28 an die dem Träger 1 abgewandte Seite der oberen Metallisierungsschicht 28 geschweißt wird, einen Leiterquerschnitt von wenigstens 0,1 mm² oder wenigstens 0,25 mm² aufweisen.
Gemäß einem elften Aspekt kann eine erste Metallfolie 21 aus einem der folgenden Metalle bestehen oder einer Legierung mit zumindest einem der folgenden Metalle aufweisen: Kupfer; Aluminium.
Gemäß einem zwölften Aspekt kann eine zweite Metallfolie 22 aus einem der folgenden Metalle bestehen oder einer Legierung mit zumindest einem der folgenden Metalle aufweisen: Kupfer; Aluminium.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt kann eine untere Metallisierungsschicht 4 aus einem der folgenden Metalle bestehen oder einer Legierung mit zumindest einem der folgenden Metalle aufweisen: Kupfer; Aluminium.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt kann das Härtungsmaterial 20 einen oder mehrere der folgenden Stoffe enthalten oder daraus bestehen: Aluminium (Al), Beryllium (Be), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Phosphor (P), Silber (Ag), Silizium (Si), Zinn (Sn), Zink (Zn), Zirkonium (Zr), wobei das Härtungsmaterial zumindest einen Stoff aufweisen muss, mit dem sich eine Härtung der betreffenden zu härtenden Metallfolie erreichen lässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 14577 [0007]
DIN EN ISO 14577 [0024]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (10) mit den Schritten: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Trägers (1), der eine Oberseite (1t) aufweist, sowie eine der Oberseite (1t) entgegengesetzte Unterseite (2t); Bereitstellen einer ersten Metallfolie (21); Bereitstellen eines Härtungsmaterials (20); Herstellen einer auf der Oberseite (1t) angeordneten und ein Härtungsgebiet (25) aufweisenden oberen Metallisierungsschicht (2), wobei zumindest ein zusammenhängender Abschnitt (250) des Härtungsgebiets (25) dadurch erzeugt wird, dass zumindest ein Teil des Härtungsmaterials (20) in die erste Metallfolie (21) eindiffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zusammenhängenden Abschnitt (250) eine Dicke (d25) von wenigstens 5 µm und/oder von höchstens 100 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zusammenhängende Abschnitt (250) eine Grundfläche (A250) von wenigstens 1 mm² oder von wenigstens 4 mm² aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zusammenhängende Abschnitt (250) an jeder Stelle eine erste Härte (H25) aufweist, die größer ist als eine zweite Härte (H21) der ersten Metallfolie (21).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der bereitgestellte Träger (1) als Keramikschicht oder als Grünling ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Härtungsmaterial (20) vor dem Eindiffundieren auf die dem Träger (1) abgewandte Seite der ersten Metallfolie (21) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Härtungsmaterial (20) vor dem Eindiffundieren auf die dem Träger (1) zugewandte Seite der ersten Metallfolie (21) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die erste Metallfolie (21) vor oder nach dem Aufbringen des Härtungsmaterials (20) stoffschlüssig mit dem Träger (1) verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit dem Schritt: Bereitstellen einer zweiten Metallfolie (22), wobei zumindest ein weiterer Abschnitt (250) des Härtungsgebiets (25) dadurch erzeugt wird, dass zumindest ein weiterer Teil des Härtungsmaterials (20) in die zweite Metallfolie (22) eindiffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Härtungsmaterial (20) vor dem Eindiffundieren des Härtungsmaterials (20) in die erste Metallfolie (21) und in die zweite Metallfolie (22) zwischen die erste Metallfolie (21) und die zweite Metallfolie (22) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dicke (d2) der oberen Metallisierungsschicht (2) höchstens 2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der bereitgestellte elektrisch isolierende Träger (1) als Keramikschicht ausgebildet ist, die vor und/oder während und/oder nach der Herstellung des Härtungsgebiets (25) stoffschlüssig mit der ersten Metallfolie (21) verbunden wird; oder der bereitgestellte elektrisch isolierende Träger (1) als Grünling ausgebildet ist, der vor und/oder während und/oder nach der Herstellung des Härtungsgebiets (25) stoffschlüssig mit der ersten Metallfolie (21) verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die obere Metallisierungsschicht (2) nach der Herstellung des Härtungsgebiets (25) strukturiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem kein elektrisches Bauelement durch eine Löt- oder Sinterverbindung mit der dem Träger (1) abgewandten Seite der oberen Metallisierungsschicht (2) verbunden ist.
Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Leiters (6) mit einer Metallisierungsschicht (2) eines Schaltungsträgers (10) mit den Schritten: Bereitstellen eines Schaltungsträgers (10), der einen elektrisch isolierenden Träger (1) mit einer Oberseite (1t) und einer der Oberseite (1t) entgegengesetzten Unterseite (2t) aufweist, sowie eine obere Metallisierungsschicht (2), die auf der Oberseite (1t) angeordnet ist und die ein Härtungsgebiet (25) mit einer ersten Härte (H25) aufweist, sowie ein von dem Härtungsgebiet (25) verschiedenes Gebiet (21, 22), das eine zweite Härte (H21, H22) besitzt, wobei die zweite Härte (H21, H22) geringer ist als die erste Härte (H25, und wobei das Härtungsgebiet (25) einen zusammenhängenden Abschnitt (250) aufweist; Festlegen einer Verbindungsstelle (28) auf der dem elektrisch isolierenden Träger (1) abgewandten Seite der oberen Metallisierungsschicht (2), wobei die Lage der Verbindungsstelle (28) so gewählt ist, dass das Härtungsgebiet (25) zwischen der Verbindungsstelle (28) und dem elektrisch isolierenden Träger (1) angeordnet ist; und Herstellen einer elektrisch leitenden, stoffschlüssigen Verbindung zwischen der oberen Metallisierungsschicht (2) und dem Leiter (6) an der Verbindungsstelle (28) durch Ultraschallschweißen.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Bereitstellen des Schaltungsträgers (10) das Herstellen eines Schaltungsträgers (10) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der zusammenhängende Abschnitt (250) eine Dicke (d25) wenigstens 5 µm und/oder von wenigstens 100 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem der zusammenhängende Abschnitt (250) eine Grundfläche (A250) von wenigstens 1 mm² oder von wenigstens 4 mm² aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der zusammenhängende Abschnitt (250) an jeder Stelle eine Härte aufweist, die wenigstens so groß ist wie die erste Härte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem die Dicke (d2) der oberen Metallisierungsschicht (2) höchstens 2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Schaltungsträger unmittelbar nach dem Herstellen der ein Härtungsgebiet (25) aufweisenden oberen Metallisierungsschicht (2) nicht mit aktiven und/oder passiven elektronischen Bauteilen bestückt ist.