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Die Erfindung geht aus von einem Schaltungsträger nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 8.
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Anorganische Schaltungsträger, wie beispielsweise Low Temperatur Cofired Ceramics (LTCC), werden hauptsächlich als Schaltungsträger für Logikschaltungen und kleinere Schaltleistungen für den Einsatz bei hohen Temperaturen (bis ca. 300°C) verwendet. Bei hohen zu schaltenden Strömen von über 20A ergeben sich bei üblichen Schichtdicken im Bereich von 1 bis 20µm, teilweise bis zu 100µm, sehr breite Leiterbahnen für die Realisierung von geringen lokalen Eigenerwärmungen. Die Eigenerwärmung erhöht sich zum Teil auch dadurch, dass bei anorganischen Schaltungsträgern (z.B. LTCC-Technik) für die Herstellung von Leiterbahnen auch Metall-Glas-Gemische mit erhöhtem spezifischem Widerstand eingesetzt werden.
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Bei der Herstellung von elektrischen Anschlüssen als Außenkontakte, welche vom Substrat nach außen führen, haben die dünnen Leiterbahnen auf anorganischen Schaltungsträgern das Problem, dass viele bekannte Verbindungstechniken nicht angewendet werden können. So ist beispielsweise Schweißen nicht möglich, weil in den Kontakten zu wenig umschmelzbares Material vorliegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Schaltungsträger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Möglichkeit geschaffen wird, um hohe Ströme von über 20A bei akzeptablem Flächenverbrauch in den Ebenen des Schaltungsträgers zu leiten. Zudem wird in vorteilhafter Weise eine ausreichende Menge von metallischem Material an den Außenkontakten für die Kontaktierung des Schaltungsträgers nach außen zur Verfügung gestellt, so dass beispielsweise Schweißen als Kontaktierverfahren eingesetzt werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sparen in einer oder mehreren anorganischen Substratlagen des Schaltungsträgers das Isolationsmaterial aus und legen in diese Aussparungen Metallstanzteile und/oder Metallfolien als Einlegeteile ein, welche anschließend elektrisch kontaktiert werden können. Über diese eingelegten Metallpfade können je nach Anforderung hohe Ströme und/oder stark belastbare Außenkontakte hergestellt werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Schaltungsträger mit mehreren anorganischen Substratlagen zur Verfügung, welche zur elektrischen und/oder thermischen Leitung partielle Metallisierungen aufweisen. Erfindungsgemäß ist mindestens eine partielle Metallisierung als Einlegeteil ausgeführt, welche ein korrespondierendes Formloch ausfüllt, welches in eine der anorganischen Substratlagen eingebracht ist.
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Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaltungsträgers mit mehreren anorganischen Substratlagen in Kombination mit metallischen Einlegeteilen vorgeschlagen. Zur Herstellung einer der anorganischen Substratlagen wird in eine ungebrannte Rohmateriallage mindestens ein Formloch für ein korrespondierendes Einlegeteil eingebracht. Das Einlegeteil wird in das Formloch eingelegt. Anschließend wird die Rohmateriallage mit dem Einlegeteil in einem thermischen Prozess zu der anorganischen Substratlage gebrannt. Zur Herstellung des Schaltungsträgers werden vor dem Brennprozess mehrere dieser anorganischen Substratlagen übereinander angeordnet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Schaltungsträgers und des im unabhängigen Patentanspruch 8 angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungsträgers möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Stärke der als Einlegeteil ausgeführten Metallisierung der Stärke der korrespondierenden gebrannten anorganischen Substratlage entsprechen kann. Dadurch kann die als Einlegeteil ausgeführte Metallisierung sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der korrespondierenden anorganischen Substratlage elektrisch und/oder thermisch kontaktiert werden. Das Einlegeteil kann beispielsweise aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung vorzugsweise aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung bestehen. Die als Einlegeteil ausgeführte Metallisierung kann beispielsweise als Außenkontaktierung und/oder als Leistungskontaktierung eingesetzt werden, so dass auch hohe Ströme von deutlich über 20A weitergeleitet werden können. Dadurch können Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers in Fahrzeugen oder stationären Anlagen für elektrische Leistungsendstufen mit integrierter Logik eingesetzt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers kann mindestens eine weitere partielle Metallisierung als Oberflächenmetallisierung ausgeführt werden, welche an einer Oberseite und/oder Unterseite einer der anorganischen Substratlagen angeordnet ist. Hierbei kann die mindestens eine Oberflächenmetallisierung als Oberseitenmetallisierung und/oder als Unterseitenmetallisierung und/oder als Innenlagenmetallisierung des Schaltungsträgers ausgeführt werden. Diese Oberflächenmetallisierungen werden vorzugsweise für niedrige Ströme von deutlich unter 20A eingesetzt, wie sie beispielsweise in elektronischen Logikschaltkreisen entstehen können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers können an verschiedenen anorganischen Substratlagen ausgebildete Metallisierungen über mindestens eine Durchkontaktierung elektrisch und/oder thermisch miteinander verbunden werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Rohmateriallage höher als das Einlegeteil ausgeführt werden, wobei das Formloch nach dem Einlegen des Einlegeteils mit einem Füllmaterial aufgefüllt werden kann, welches sich während der Durchführung des thermischen Prozesses verflüchtigt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass das Rohmaterial der Substratlage über das Einlegeteil fließt und die wirksame Kontaktfläche verkleinert.
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Der thermische Prozess kann vorzugsweise als Constraint-Sintering-Prozess ausgeführt werden, in welchem sich eine Materialschrumpfung auf die Dicke der Rohmateriallage beschränkt, so dass die anorganische Substratlage dünner als die Rohmateriallage ist. Die Dicke der Rohmateriallage ist in vorteilhafter Weise so bemessen, dass die Dicke der anorganischen Substratlage nach dem Brennprozess der Dicke des Einlegeteils entspricht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. vergleichbare Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Schaltungsträger aus 2.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Rohmateriallage für eine anorganische Substratschicht eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers nach dem Einbringen von Formlöchern.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Rohmateriallage aus 4 nach dem Einlegen von Einlegeteilen in die Formlöcher.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers mit der Rohmateriallage aus 5 vor dem thermischen Prozess.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Schaltungsträgern 1, 1A jeweils mehrere anorganische-Substratlagen 1.1, welche zur elektrischen und/oder thermischen Leitung partielle Metallisierungen 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 aufweisen. Erfindungsgemäß ist mindestens eine partielle Metallisierung als Einlegeteil 1.2 ausgeführt, welche ein korrespondierendes Formloch 1.7 ausfüllt, welches in eine der anorganischen Substratlagen 1.1 eingebracht ist.
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Die in 1 bis 3 dargestellten Schaltungsträger 1, 1A zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel mit vier anorganischen Substratlagen 1.1, welche vorzugsweise als LTCC-Substratlagen ausgeführt sind. Selbstverständlich können alternative Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers auch mehr oder weniger als vier anorganische Substratlagen umfassen. Auf dem Schaltungsträger 1, 1A befinden sich bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils ein Logik-Schaltkreis 3 und ein diskretes Bauelement 5. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltungsträger 1 zusätzlich einen Leistungshalbleiter 4 auf. Die Anzahl der auf den Schaltungsträgern 1, 1A angeordneten Bauteile 3, 4, 5 ist beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich können bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers eine beliebige Anzahl von Logik-Schaltkreisen 3 und/oder Leistungshalbleitern 4 und/oder diskreten Bauelementen 5 auf dem Schaltungsträger angeordnet werden. Die Logik-Schaltkreise 3, Leistungshalbleiter 4 und diskreten Bauelemente 5 können mit einem beliebigen Material 2, wie beispielsweise Lot, Klebstoff, Sinterstoff usw., auf dem Schaltungsträger 1, 1A befestigt sein und auf der Oberseite mit einer beliebigen Oberseitenkontaktierung, wie beispielsweise Bondbändchen 6, Bonddraht 7, gelöteter Leadframe usw. elektrisch angeschlossen werden.
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Die dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 1, 1A bestehen aus mehreren anorganischen isolierenden Substratlagen 1.1, wie beispielsweise Keramik, Glaskeramik, Glas usw., welche zur elektrischen und thermischen Leitung partiell metallisiert sind und zwar sowohl in den Innenlagen 1.5 als auch meist auf der Oberseite 1.3 und Unterseite 1.4 des Schaltungsträgers 1, 1A. Diese in verschiedenen anorganischen Substratlagen 1.1 angeordneten Metallisierungen 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 können mittels Durchkontaktierungen 1.6 elektrisch und/oder thermisch miteinander verbunden sein. Die Durchkontaktierungen 1.6 können beispielsweise durch, mit metallischem Material gefüllte Löcher in den anorganischen Substratlagen 1.1 realisiert werden.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, entspricht die Stärke der als Einlegeteile 1.2 ausgeführten Metallisierungen der Stärke der korrespondierenden anorganischen Substratlage 1.1. In den dargestellten Ausführungsbeispielen bestehen die Einlegeteile 1.2 aus Kupfer. Alternativ können die Einlegeteile aus einer Kupferlegierung oder aus anderen geeigneten Metallen und/oder Metalllegierungen bestehen. Die Einlegeteile 1.2 können in jeder beliebigen anorganischen Substratlage 1.1 des Schaltungsträgers 1, 1A angeordnet werden und zwar sowohl am Außenrand als auch im Innenbereich des Schaltungsträgers 1, 1A. Die Einlegeteile 1.2 können zur elektrischen und/oder thermischen Leitung verwendet werden Zusätzlich oder alternativ können auf den Einlegeteilen 1.2 auch Außenkontakte 8, Logik-Schaltkreise 3, Leistungshalbleiter 4 oder diskrete Bauelemente 5 mit geeigneten Verbindungsverfahren befestigt und elektrisch kontaktiert werden.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, werden die als Einlegeteile 1.2 ausgeführten Metallisierungen im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 1 als Leistungskontaktierungen LK und Hochstromleitungen für den Leistungshalbleiter 4 eingesetzt. Hierbei ist mit einer ersten Leistungskontaktierung LK eine Rückseitenanbindung 2 des Leistungshalbleiters 4 realisiert. Mit einer zweiten Leistungskontaktierung LK ist über ein Bondbändchen 6 die Oberseitenanbindung des Leistungshalbleiters 4 realisiert. Alternativ können auch mehrere Bondbändchen 6 und/oder ein Bonddraht 7 und/oder mehrere Bonddrähte 7 und/oder gelöteter Leadframe für die Realisierung der Oberseitenanbindung des Leistungshalbleiters 4 verwendet werden.
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Wie aus 2 und 3 weiter ersichtlich ist, werden die als Einlegeteile 1.2 ausgeführten Metallisierungen im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 1A als Außenkontaktierungen AK für die Außenkontakte 8 des Schaltungsträgers 1A eingesetzt. Hierbei können die Außenkontakte 8 über ein geeignetes Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Schweißen, mit den Außenkontaktierungen AK verbunden werden.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, ist mindestens eine weitere partielle Metallisierung 1.3, 1.4, 1.5 als Oberflächenmetallisierung ausgeführt, welche an einer Oberseite und/oder Unterseite einer der anorganischen Substratlagen 1.1 angeordnet ist. Die Oberflächenmetallisierungen sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils als Oberseitenmetallisierung 1.3, Unterseitenmetallisierung 1.4 oder Innenlagenmetallisierung 1.5 des Schaltungsträgers 1, 1A ausgeführt. Sowohl im ersten als auch im zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 1, 1A ist jeweils mit einer Oberseitenmetallisierung 1.3 eine Rückseitenanbindung 2 des Logikschaltkreises 3 realisiert. Mit weiteren Oberseitenmetallisierungen 1.3 ist jeweils über Bonddrähte 7 die Oberseitenanbindung des Logikschaltkreises 3 realisiert. Das diskrete Bauelement 5 ist in beiden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 1, 1A jeweils mit zwei Oberseitenmetallisierungen 1.3 verbunden. Selbstverständlich können alternative Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers auch mehr oder weniger als zwei Oberflächenmetallisierungen 1.3 für ein diskretes Bauelement 5 aufweisen. Die Anzahl der Oberflächenmetallisierungen 1.3 für ein diskretes Bauelement 5 sind von der Anzahl der zu kontaktierenden Anschlüsse des diskreten Bauelements 5 abhängig.
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Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, werden zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 1, 1A in die ungebrannte Rohmateriallage 1.9 einer anorganischen Substratlage 1.1 Formlöcher 1.7 für die Einlegeteile 1.2 eingebracht. In diese Formlöcher 1.7 werden dann die Einlegeteile 1.2 eingelegt, wie aus 5 ersichtlich ist. Zudem werden außer den Formlöcher 1.7 für die Einlegeteile 1.2 auch Löcher für die Durchkontaktierungen 1.6 eingebracht und metallisiert sowie die Innenlagenmetallisierungen 1.5 aufgelegt. Idealerweise wird beim Brennen ein Constraint-Sintering-Prozess verwendet, so dass sich der Materialschrumpf im Wesentlichen auf die Dicke der Rohmateriallage 1.9 beschränkt. Da beim Brennen dann die Dicke der Rohmateriallage 1.9 abnimmt, während die Einlegeteile 1.2 ihre Dicke im Wesentlichen behalten, wird zusätzlich ein Füllmaterial 1.8, welches auch als Sinterhilfsstoff bezeichnet wird, in die Formlöcher 1.7 eingebracht. Das Füllmaterial 1.8 verflüchtigt sich während des Brennvorgangs. Zur Unterbindung der Metalloxidation kann der Brennprozess unter einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff (N2), mit einer definierten Menge an Reaktionsgas, wie z.B. Sauerstoff (O2), durchgeführt werden. Somit ist die Rohmateriallage 1.9 höher als das Einlegeteil 1.2 ausgeführt und das Formloch 1.7 wird nach dem Einlegen des Einlegeteils 1.2 mit dem Füllmaterial 1.8 aufgefüllt, welches sich während der Durchführung des thermischen Prozesses verflüchtigt. Durch die Materialschrumpfung ist die anorganische Substratlage 1.1 dünner als die Rohmateriallage 1.9 und entspricht vorzugsweise der Dicke des Einlegeteils 1.2.
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Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, werden zur Herstellung des Schaltungsträgers vor dem Brennprozess mehrere dieser Rohmateriallagen 1.9 übereinander angeordnet.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen in vorteilhafter Weise einen Schaltungsträger mit Metallisierungen zur Verfügung, welche als Einlegeteile ausgeführt sind und beispielsweise als Außenkontaktierung und/oder als Leistungskontaktierung und/oder Hochstromleitungen eingesetzt werden können, so dass auch hohe Ströme von deutlich über 20A weitergeleitet werden können. Dadurch können Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers in Fahrzeugen oder stationären Anlagen für elektrische Leistungsendstufen mit integrierter Logik eingesetzt werden.
