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Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bondverbindung auf einem solchen Schaltungsträger.
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Schaltungsträger, beispielsweise Leiterplatten, weisen sichtbare und nicht sichtbare elektrisch leitende Durchkontaktierungsflächen, sogenannte Vias, auf. Durchkontaktierungen erstrecken sich an und in dem Schaltungsträger und werden benötigt, um elektrische Energie und/oder Wärmeenergie zwischen Leiterbahnen in verschiedenen Leiterbahnebenen des Schaltungsträgers zu leiten.
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Weiterhin weisen Schaltungsträger außen liegende Bondflächen, sogenannte Bondpads, auf. Auf den Bondpads sind Bondverbindungen ausgebildet, die zur Kontaktierung und zum Anschließen von mikroelektronischen Bauteilen, wie beispielsweise integrierten Schaltkreisen, dienen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltungsträger anzugeben, dessen Kontaktierung flächensparend ausgebildet ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Bondverbindung auf dem Schaltungsträger anzugeben.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Schaltungsträgers durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß weist der Schaltungsträger mindestens ein außen liegendes Flächenelement auf, das mindestens eine Mikrovia aufweist, wobei mindestens ein außen liegender Bereich der Mikrovia als Bondpad ausgebildet ist, auf dem mindestens eine Bondverbindung ausgebildet ist.
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Der außen liegende Bereich der Mikrovia ist derart ausgebildet und ausgestaltet, dass dieser eine Bondfläche oder ein Bondpad (auch Anschlussfläche oder -pad bezeichnet) bildet, auf der bzw. auf dem die Bondverbindung hergestellt oder herstellbar ist. Mit anderen Worten: Die mit Vias oder Durchkontaktierungen versehenen äußeren Flächen (auch Viaflächen genannt) des Schaltungsträgers sind derart aufbereitet, dass diese zur Kontaktierung mit Bonddrähten genutzt werden.
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Gegenüber herkömmlichen Schaltungsträgern mit getrennten Bondflächen und Viaflächen weist der neue Schaltungsträger eine besonders kleine Flächenausdehnung für Bondverbindungen auf. Durch den erfindungsgemäßen Schaltungsträger sind vorteilhaft die Funktionen einer Bondfläche (= Bondpad) und einer Durchkontaktierungsfläche (= Mikrovia) miteinander in einem einzigen Element des Schaltungsträgers vereinigt.
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Das Flächenelement kann als ein Element mit einer Durchkontaktierungsfläche, insbesondere Mikrovia, angesehen werden, die mindestens abschnittsweise als Bondpad oder Bondfläche ausgebildet ist, wodurch ein neues und innovatives technisches Element vorgeschlagen ist.
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Bei Schaltungsträgern gemäß dem Stand der Technik werden Durchkontaktierungsflächen und Bondflächen funktionell und räumlich getrennt ausgebildet, da eine sichere Kontaktierung einer Durchkontaktierungsfläche, beispielsweise mittels eines Bonddrahts, aufgrund der Dimensionierung und der Beschaffenheit der Durchkontaktierungsfläche nicht möglich ist.
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Weiterhin sind bei einem erfindungsgemäßen Schaltungsträger aufgrund der direkten Anbindung des Bonddrahts an die Mikrovia oder Durchkontaktierung parasitäre Widerstände verringert, durch die das Leiten elektrischer Energie und/oder Wärmeenergie nachteilig beeinflusst wird. Die Funktionssicherheit des Schaltungsträgers ist durch ein verbessertes Leitungsvermögen und eine damit einhergehende Reduzierung eines durch das Leiten von Wärmeenergie verursachten thermischen Stresses vorteilhaft erhöht.
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Ist ein Schaltungsträger mit einer oder mit mehreren Flächenelementen versehen, kann der erforderliche Bauraum des Schaltungsträgers bei gleicher Leistungsfähigkeit verringert werden beziehungsweise die Leistungsfähigkeit wird bei gleichem Bauraum vergrößert.
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Das Flächenelement weist elektrisch leitende Materialien auf oder besteht vollständig aus diesen. Elektrisch leitende Materialien sind beispielsweise Metalle, Metalllegierungen und/oder Schichten von Metallen oder Metalllegierungen.
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Die Mikrovia (= Durchkontaktierung) und das Bondpad (= die Bondfläche) sind in weiteren Ausführungen des Schaltungsträgers aus unterschiedlichen Materialien gebildet.
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Beispielsweise ist die Mikrovia aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet, während das Bondpad beispielsweise aus Gold, dotiertem Gold oder einer Goldlegierung gebildet ist. Dabei sind alle Leiterbahnen und Bondpads sowie sonstige funktionale Flächen des Schaltungsträgers auf dessen Oberseite als Schichtsystem (Schichten oder Lagen aus Metallen oder Metalllegierungen) aufgebaut. Basis bildet dabei die Leiterbahn aus Kupfer, deren Oberfläche mit weiteren dünnen, funktionalen Schichten, wie zum Beispiel Nickel und Gold oder Nickel, Palladium und Gold, versehen wird.
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In möglichen Ausführungen des Schaltungsträgers ist dieser als eine Leiterplatte mit Durchkontaktierungen, als eine Niedertemperatur-Einbrandkeramik (LTCC, (low-temperature cofired ceramics), als eine Hochtemperatur-Einbrandkeramik (HTCCs, high-temperature cofired ceramics), als eine Dickschichtkeramik oder als eine Flexfolie ausgebildet.
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Der Schaltungsträger weist in weiteren möglichen Ausführungen mindestens zwei Leiterbahnebenen auf, wobei in jeder Leiterbahnebene mindestens eine Leiterbahn vorgesehen ist. Ein solcher Schaltungsträger benötigt einen geringen Bauraum bei einer gleichzeitig hohen Leistungsfähigkeit.
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Die mindestens eine Durchkontaktierung oder Via ist in einer Ausführung des Flächenelements als Mikrovia, beispielsweise mit einer Größe von weniger als 500 µm, beispielsweise mit weniger als 200 µm, ausgebildet.
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Die mindestens eine Mikrovia ist in weiteren Ausführungen des Flächenelements als An- oder Durchkontaktierung ausgebildet. Die innen liegenden Vias sind als ein Sackloch mit wenigstens abschnittsweise elektrisch leitfähigen Wänden (blind via), als eine vergrabene Durchkontaktierung (buried via) und/oder als eine durchgehende Durchkontaktierung (through hole) ausgebildet.
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In einem einzigen Flächenelement sind in weiteren Ausführungen des Flächenelements unterschiedliche Formen von Durchkontaktierungen ausgebildet und beispielsweise miteinander kombiniert.
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Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer Bondverbindung auf dem Schaltungsträger, insbesondere auf einem außen liegenden Flächenelement des Schaltungsträgers, wird die Aufgabe gelöst, indem auf einem außen liegenden Flächenelement, das mindestens eine Mikrovia aufweist, ein Bereich um die Mikrovia als Bondfläche oder Bondpad ausgebildet, insbesondere mechanisch aufbereitet, wird, wobei auf diesem Bondpad mindestens eine Bondverbindung hergestellt wird.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Durchkontaktierungsflächen weisen Durchmesser von beispielsweise 100 µm auf. Diese sind für die Herstellung einer Bondverbindung mit einem Bonddraht, der beispielsweise als ein Dickdraht mit einem Durchmesser von 200 µm bis 500 µm ausgebildet ist, nicht geeignet.
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Um eine Bondverbindung zu ermöglichen, wird das Bondpad hinsichtlich mindestens einer seiner Ausdehnungen an mindestens ein Abmaß eines zur Herstellung der Bondverbindung nutzbaren Bonddrahts angepasst.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Bondpad in einer ersten Richtung mindestens so breit wie ein Durchmesser eines zur Herstellung der Bondverbindung nutzbaren Bonddrahts und in einer zweiten Richtung mindestens so lang wie eine vorgesehene Verbindungslänge, über die der Bonddraht mit dem Bondpad verbunden oder verbindbar ist, ausgebildet.
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Zusätzlich oder alternativ wird das Bondpad in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens an zu erfüllende strukturelle Anforderungen einer Bondfläche angepasst.
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Zu erfüllende strukturelle Anforderungen einer Bondfläche sind beispielsweise deren Oberflächenbeschaffenheit wie deren Rauheit, deren Benetzbarbeit mit einem Fluss- und/oder Lotmaterial, deren Material und Reinheit sowie eine zur Herstellung einer Bondverbindung geeignete Oberflächenstruktur.
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Eine solche Oberflächenstruktur ist beispielsweise durch eine plane Gestaltung der Oberflächenseite, insbesondere der Bondfläche oder des Bondpads, gegeben. Mittels eines planen Bondpads ist eine große Kontaktfläche zwischen der Bondfläche und dem Bonddraht sichergestellt.
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Das Bondpad wird in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens gereinigt, um eine Qualität der Bondfläche sicherzustellen, die zur Ausbildung einer Bondverbindung erforderlich ist.
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Um die Bondfläche plan auszubilden, kann das Bondpad in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens zusätzlich mechanisch, beispielsweise mittels Bürsten und/oder Schleifen, bearbeitet werden.
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In weiteren möglichen Ausführungen sind in der ansonsten planen Bondfläche Durchkontaktierungen, beispielsweise Mikrovias, ausgebildet. Durch Mikrovias ist die Kontaktfläche lediglich geringfügig reduziert.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird eine plane Bondfläche geschaffen, indem diejenigen Durchkontaktierungen oder Vias, die an der Bondfläche münden und in der Bondfläche eine Vertiefung bilden, mit einem Material aufgefüllt werden, aus dem auch die Bondfläche gebildet ist.
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Ein Auffüllen der Bondfläche oder -pads erfolgt in weiteren Ausgestaltungen auch über Abschnitte der Bondfläche, an denen keine Durchkontaktierungen münden, um vorhandene Unebenheiten auszugleichen und um nach einer anschließenden mechanischen Bearbeitung eine plane Bondfläche zu erhalten.
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Das Auffüllen wird beispielsweise mittels galvanischer Verfahren, Bedampfungen und/oder Sputtern durchgeführt.
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Die Bondfläche ist in möglichen weiteren Ausführungen des Flächenelements strukturiert ausgebildet. Beispielsweise sind in der Bondfläche Mikrovia vorhanden. Alternativ oder zusätzlich münden durchgehende Durchkontaktierungen an der Bondfläche.
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In die Mikrovia und/oder in die einmündenden Durchkontaktierungen dringt Material des Bonddrahts und/oder ein verwendetes Bond- oder Verbindungsmaterial, beispielsweise ein Lotmaterial, mindestens bereichsweise ein, so dass zusätzlich zu einer Bondverbindung auf der Bondfläche eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
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Die Bondverbindung ist beispielsweise durch Dünndraht-, Dickdraht- oder Ribbonbonden hergestellt oder herstellbar.
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Weiterhin werden andere Ultraschallschweißverfahren und Fügeverfahren, zum Beispiel Laserstrahlschweißen und Laserstrahllöten, zur Herstellung einer Bondverbindung im Sinne dieser Beschreibung genutzt.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines Schaltungsträgers mit zwei Flächenelementen und einer Bondverbindung und
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2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Schaltungsträgers mit einem Flächenelement.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist ein Schaltungsträger 2 mit mehreren äußeren Flächenelementen 1.1 und 1.2 dargestellt, die beispielsweise auf einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Schaltungsträgers 2 angeordnet sind.
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Der Schaltungsträger 2 ist als eine Leiterplatte ausgebildet. Beispielsweise ist der Schaltungsträger 2 eine Niedertemperatur-Einbrandkeramik, eine Dicksichtkeramik oder eine Flexfolie.
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Der Schaltungsträger 2 kann nicht näher dargestellte mikroelektronische Bauteile, wie integrierte Schaltkreise, diskrete Halbleiter, wie Transistoren, Leuchtdioden, umfassen, die auf einer oder beiden Oberflächenseiten des Schaltungsträgers 2 angeordnet sind. Beispielsweise kann es sich bei dem Schaltungsträger 2 um eine elektronische Schaltung für ein Steuergerät, wie ein Motorsteuergerät, ein Getriebesteuergerät oder ein Batteriesteuergerät, handeln.
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Dabei weist der Schaltungsträger 2 zur elektrischen Verbindung der mikroelektronischen Bauteile außen liegende Leiterbahnen 8 und innen liegende, nicht sichtbare Leiterbahnen 9 auf, die in mehreren Leiterbahnebenen 9.1 bis 9.n angeordnet sind.
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Zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnen 8 und 9 zwischen zwei oder mehreren Leiterbahnenebenen 9.1 bis 9.n weist der Schaltungsträger 2 außen liegende Mikrovias 3.1 (= sichtbare Durchkontaktierungen) und/oder innen liegende, nicht sichtbare Vias 3.2 (= sogenannte vergrabene Durchkontaktierungen) auf.
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Erfindungsgemäß weist eines der außen liegenden Flächenelemente 1.1 mindestens eine Mikrovia 3.1 auf, wobei ein außen liegender Bereich der Mikrovia 3.1 als Bondpad 4 oder Bondfläche ausgebildet ist, auf der mindestens eine Bondverbindung 6 ausgebildet ist. Die Mikrovia 3.1 kontaktiert dabei äußere Leiterbahnen 8 mit inneren Leiterbahnen 9 der ersten Leiterbahnebene 9.1.
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Dabei ist das Flächenelement 1.1 auf einer äußeren Oberflächenseite des Schaltungsträgers 2 angeordnet. Das Flächenelement 1.1 ist metallisch und elektrisch leitend ausgebildet. Dazu ist das Flächenelement 1.1 aus elektrisch leitenden Materialien gebildet und/oder mit diesen beschichtet. Dabei können sich die Materialien des Flächenelements 1.1 bereichsweise unterscheiden.
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Das Bondpad 4 des Flächenelements 1.1 und somit der außen liegende Bereich der Mikrovia 3.1 ist beispielsweise als eine gereinigte Goldschicht ausgebildet. Der innen liegende Bereich der Mikrovia 3.1 kann aus einem anderen Material, beispielsweise aus Kupfer, gebildet sein. Alternativ können Bondpad 4 und Mikrovia 3.1 aus dem gleichen Material, insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer und/oder Gold in Schichten ausgebildet sein.
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Der Durchmesser der Mikrovia 3.1 ist kleiner 200 µm und beträgt in etwa 50 µm bis 200 µm, bevorzugt 100 µm bis 150 µm.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bondpad 4 in einer ersten Richtung R1 mindestens so breit wie ein Durchmesser D eines Bonddrahts 7, der den Schaltungsträger 2 mit Anschlüssen eines mikroelektronisches Bauteils verbindet. In einer zur ersten Richtung R1 orthogonalen zweiten Richtung R2 ist das Bondpad 4 mindestens so lang wie eine vorgesehene Verbindungslänge VL, über die der Bonddraht 7 mit dem Bondpad 4 verbunden ist.
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Der Bonddraht 7 ist beispielsweise ein Kupfer-, Aluminium-, Silber- oder Golddraht. Alternativ kann der Bonddraht 7 aus einem anderen Metall oder einer Metalllegierung, zum Beispiel legiertem oder dotiertem Gold oder Aluminium mit geringem Siliziumanteil gebildet sein.
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Zur Herstellung einer Bondverbindung 6 im Bereich einer Mikrovia 3.1 des Flächenelements 1.1 wird in einem letzten Prozessschritt der Leiterbahnfertigung die Mikrovia 3.1 gefüllt und die Leiterplatte gewaschen. Optional kann zumindest das Flächenelement 1.1 in diesem Bereich mechanisch bearbeitet, insbesondere gebürstet oder geschliffen werden. Dieser mechanische Bearbeitungsprozess ermöglicht eine ebene, gleichmäßige Oberfläche im Bereich der Mikrovias 3.1, da es im Bereich der Mikrovias 3.1 durch den Füllprozess zu Überhöhungen kommen kann.
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Zu einem solchen zumindest bereichsweisen Oberflächenfinish des Flächenelements 1.1 eignen sich auch andere mechanische Verfahren.
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Durch zumindest das Füllen und Waschen sowie optional durch die mechanische Bearbeitung wird der betreffende Bereich der Mikrovia 3.1 des Flächenelements 1.1 als Bondpad 4 ausgebildet, auf dem dann die Bondverbindung 6 hergestellt wird. Das Oberflächenfinish ermöglicht eine gute Haftung des Bonddrahts 7.
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Auf der Bondfläche 4 des ersten Flächenelements 1.1 ist die Bondverbindung 6 über die Verbindungslänge VL als eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Bondfläche 4 und dem Bonddraht 7 ausgebildet.
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Während der Herstellung der Bondverbindung 6 dringt das Material des Bonddrahts 7 in die Mikrovias 3.1 ein und füllt diese ganz oder teilweise aus.
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Mittels der vergrabenen Durchkontaktierungen oder Vias 3.2 sind die inneren Leiterbahnen 9, die auch als Innenlagen bezeichnet werden, elektrisch leitend kontaktiert, so dass ausgehend von den außen liegenden Flächenelementen 1.1, 1.2 und mittels der Mikrovias 3.1 und der vergrabenen Vias 3.2 eine Kontaktierung der äußeren und inneren Leiterbahnen 8 bzw. 9 in den verschiedenen Leiterbahnebenen 9.1 bis 9.n des Schaltungsträgers 2 realisiert ist.
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Um die einzelnen inneren Leiterbahnen 9 zwischen den Leiterbahnebenen 9.1 bis 9.n zu fixieren und gegeneinander elektrisch zu isolieren sowie um dem Schaltungsträger 2 eine für dessen Verwendung erforderliche Stabilität zu verleihen, sind die inneren Leiterbahnen 9 von mit ausgehärteten oder aushärtbaren Komponenten vermischten vorimprägnierten Fasern 11, sogenannten Prepregs, umgeben.
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Die ausgehärteten oder aushärtbaren Komponenten sind beispielsweise Harze, die unter Wärme- und/oder Druckeinwirkung beispielsweise bei der Herstellung des Schaltungsträgers 2 ausgehärtet wurden oder aushärtbar sind.
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In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Schaltungsträgers 2 in einer Draufsicht dargestellt. Das Bondpad 4 ist auf einem Abschnitt des ersten Flächenelements 1.1 im Bereich von Mikrovias 3.1 ausgebildet und erstreckt sich in einer ersten Richtung R1 und in einer zweiten Richtung R2. In das erste Flächenelement 1.1 mündende und mit Strichlinien dargestellte Mikrovias 3.1 sind mit dem Material des Bondpads 4 aufgefüllt. Optional kann das Bondpad 4 mechanisch bearbeitet werden, so dass das erhaltene Bondpad 4 plan ausgebildet ist. Das erste Flächenelement 1.1 ist durch das Material des Bondpads 4 elektrisch leitend mit den Mikrovias 3.1 verbunden.
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Zur Herstellung der Bondverbindung 6 auf dem außen liegenden Flächenelement 1.1 des Schaltungsträgers 2 wird der Bereich um die Mikrovias 3.1 als Bondpad 4 ausgebildet und auf diesem Bondpad 4 die mindestens eine Bondverbindung 6 hergestellt. Hierzu wird, wie oben beschrieben, zumindest der äußere Bereich der Mikrovias 3.1 aus einem entsprechenden Bondmaterial gebildet und gewaschen sowie gegebenenfalls mechanisch aufbereitet, insbesondere plan ausgestaltet, beispielsweise durch Bürsten oder Schleifen.
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Es konnte durch Versuche nachgewiesen werden, dass die auf dem Flächenelement 1.1 im Bereich von Mikrovias 3.1 hergestellte Bondverbindung 6 den Anforderungen an Bondverbindungen gerecht wird. So sind beispielsweise Mindestmaße einer Bondverbindung 6, beispielsweise eine Mindestbreite, eingehalten.
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Auch in Hinblick auf Ergebnisse von Schertests und Zuverlässigkeitstests werden die Bondverbindungen 6 den Anforderungen vollständig gerecht.
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Weder an dem Schaltungsträger 2 noch an den Mikrovias 3.1 wurden nachteilige oder qualitätsrelevante Veränderungen festgestellt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- erstes Flächenelement
- 1.2
- zweites Flächenelement
- 2
- Schaltungsträger
- 3.1
- Mikrovia
- 3.2
- Durchkontaktierung
- 4
- Bondfläche
- 6
- Bondverbindung
- 7
- Bonddraht
- 8
- äußere Leiterbahn
- 9.1 bis 9.n
- Leiterbahnebene
- 9
- innere Leiterbahn
- 11
- vorimprägnierte Fasern
- D
- Durchmesser (des Bonddrahts 7)
- VL
- Verbindungslänge
- R1
- erste Richtung
- R2
- zweite Richtung