DE102016200098A1 - Conductive connection of laser-introduced signal conductors with paste-metallized pads on AlN substrates - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungen auf keramische Substrate (1), wobei die Metallisierungen aus Pads (2) und aus Signalleiterbahnen (3) bestehen und die Pads (2) eine größere Dicke als die Signalleiterbahnen (3) aufweisen, und in zumindest einem Verfahrensschritt Metallisierungen mit dem an sich bekannten Siebdruckverfahren aufgedruckt werden Damit kostengünstig Pads (2) mit einer großen Dicke und Signalleiterbahnen (3) mit einer geringen Dicke auf einem keramischen Substrat (1) aufgebracht werden können, werden die folgenden, der Reihe nach auszuführenden Verfahrensschritte vorgeschlagen: a. Verwendung eines keramischen Substrats (1) aus Aluminiumnitrid (AlN), b. Aufdrucken der Pads (2) mit dem Siebdruckverfahren unter Verwendung eines Siebs mit einem oder mehreren Druckvorgängen, c. Einbringen der Signalleiterbahnen (3) mit einem Laser, wobei der Laserstrahl entlang der zu schaffenden Signalleiterbahnen (3) auf das keramische Substrat (1) gelenkt wird und sich durch die Wärme des Laserstrahls am Ort des Auftreffens des Laserstrahls auf das Substrat (1) das Aluminiumnitrid des Substrats (1) in das elektrisch leitende Aluminium umwandelt, d. gleichzeitig oder nach dem Verfahrensschritt c Lenken des Laserstrahls auf den Verbindungsbereich (4) zwischen den Pads (2) und den Signalleiterbahnen (3) zur Schaffung eines elektrisch leitenden Verbindungsbereichs (4), der die Signalleiterbahnen (3) mit den Pads (4) elektrisch leitend verbindet und e. optional galvanisches Aufbringen eines metallischen Überzugs auf die Pads (2) und die Signalleiterbahnen (3).The invention relates to a method for applying metallizations on ceramic substrates (1), wherein the metallizations of pads (2) and signal conductor tracks (3) and the pads (2) have a greater thickness than the signal conductor tracks (3), and in In order to be able to inexpensively apply pads (2) with a large thickness and signal conductors (3) with a small thickness on a ceramic substrate (1) at least one method step, the following are to be carried out in sequence Procedural steps proposed: a. Use of a ceramic substrate (1) of aluminum nitride (AlN), b. Printing the pads (2) by screen printing using a screen with one or more printing operations, c. Introducing the signal conductor tracks (3) with a laser, wherein the laser beam is directed along the signal conductor tracks (3) to be created on the ceramic substrate (1) and by the heat of the laser beam at the location of the impact of the laser beam on the substrate (1) Aluminum nitride of the substrate (1) converts into the electrically conductive aluminum, d. simultaneously or after method step c, directing the laser beam onto the connection region (4) between the pads (2) and the signal conductors (3) to provide an electrically conductive connection region (4) electrically connecting the signal conductors (3) to the pads (4) conductively connects and e. optional galvanic application of a metallic coating on the pads (2) and the signal conductors (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungen auf keramische Substrate, wobei die Metallisierungen aus Pads und aus Signalleiterbahnen bestehen und die Pads eine größere Dicke als die Signalleiterbahnen aufweisen, und in zumindest einem Verfahrensschritt Metallisierungen mit dem an sich bekannten Siebdruckverfahren aufgedruckt werden.The invention relates to a method for applying metallizations on ceramic substrates, wherein the metallizations consist of pads and signal conductors and the pads have a greater thickness than the signal conductors, and in at least one method step metallizations are printed with the known screen printing process.
Es ist bekannt auf keramische Substrate Metallisierungen beliebiger Form und Größe mit einem Siebdruckverfahren aufzubringen und diese Metallisierungen mit einem galvanisch aufgebrachten metallischen Überzug zu versehen. It is known to apply metallizations of any shape and size to ceramic substrates using a screen printing process and to provide these metallizations with a galvanically applied metallic coating.
Üblicherweise müssen die Metallisierungen, die später einen hohen Strom leiten sollen, dicker ausgeführt werden. Nachfolgend werden diese Metallisierungen mit Pads bezeichnet. Diese Pads können jede Form aufweisen, wie rund, quadratisch, rechteckig oder auch bandförmig. Bei Signalleiterbahnen jedoch wird nur ein kleiner Strom übertragen, so dass die Dicke der Signalleiterbahnen gering sein kann. Mit Dicke wird der Stromleitungsquerschnitt verstanden. Werden sowohl die einen hohen Strom tragenden Metallisierungen, d.h. die Pads wie auch die Signalleiterbahnen mit einer großen Dicke aufgedruckt, ist dies durch das verwendete im Grunde unnötige Material teuer. Usually, the metallizations that are to conduct a high current later, must be made thicker. Hereinafter, these metallizations are referred to as pads. These pads can have any shape, such as round, square, rectangular or even band-shaped. In signal traces, however, only a small current is transmitted, so that the thickness of the signal traces may be low. Thickness is understood to mean the power line cross section. When both the high current carrying metallizations, i. The pads as well as the signal traces printed with a large thickness, this is expensive by the used basically unnecessary material.
Um sowohl dünne Signalleiterbahnen als auch Pads auf einem keramischen Substrat aufzudrucken, können mit einem ersten Sieb die Signalleiterbahnen und mit einem zweiten Sieb die dicken Pads aufgedruckt werden. Auch dies ist durch die Verwendung zweier Siebe und damit zweier Druckvorgänge teuer.In order to print both thin signal conductors and pads on a ceramic substrate, the signal conductors can be printed with a first sieve and the thick pads with a second sieve. This too is expensive by the use of two screens and thus two printing operations.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass kostengünstig Pads mit einer großen Dicke und Signalleiterbahnen mit einer geringen Dicke auf einem keramischen Substrat aufgebracht werden können.The invention has for its object to improve a method according to the preamble of
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Damit kostengünstig Pads mit einer großen Dicke und Signalleiterbahnen mit einer geringen Dicke auf ein keramisches Substrat aufgebracht werden können, werden die folgenden, der Reihe nach auszuführenden Verfahrensschritte empfohlen:
- a. Verwendung eines keramischen Substrats aus Aluminiumnitrid (AlN),
- b. Aufdrucken der Pads mit dem Siebdruckverfahren unter Verwendung eines Siebs mit einem oder mehreren Druckvorgängen,
- c. Einbringen der Signalleiterbahnen mit einem Laser, wobei der Laserstrahl entlang der zu schaffenden Signalleiterbahnen auf das keramische Substrat gelenkt wird und sich durch die Wärme des Laserstrahls am Ort des Auftreffens des Laserstrahls auf das Substrat das Aluminiumnitrid des Substrats in das elektrisch leitende Aluminium umwandelt,
- d. gleichzeitig oder nach dem Verfahrensschritt c Lenken des Laserstrahls auf den Verbindungsbereich zwischen den Pads und den Signalleiterbahnen zur Schaffung eines elektrisch leitenden Verbindungsbereichs, der die Signalleiterbahnen mit den Pads elektrisch leitend verbindet und
- e. optional galvanisches Aufbringen eines metallischen Überzugs auf die Pads und die Signalleiterbahnen.
- a. Use of a ceramic substrate of aluminum nitride (AlN),
- b. Imprinting the pads with the screen printing process using a screen with one or more printing operations,
- c. Introducing the signal conductor tracks with a laser, wherein the laser beam is directed onto the ceramic substrate along the signal conductor paths to be created and the aluminum nitride of the substrate is converted into the electrically conductive aluminum by the heat of the laser beam at the location of the impact of the laser beam on the substrate,
- d. simultaneously or after the method step c, directing the laser beam onto the connection area between the pads and the signal conductor tracks to create an electrically conductive connection area which connects the signal conductor tracks to the pads in an electrically conductive manner and
- e. optional galvanic deposition of a metallic coating on the pads and signal traces.
Bevorzugt wird im Verfahrensschritt d der Laserstrahl ausgehend von den Signalleiterbahnen auf den angrenzenden Pad gelenkt. Hierdurch lässt sich der Schmelzbereich scharf abgrenzen.In method step d, the laser beam is preferably directed onto the adjacent pad starting from the signal conductor tracks. As a result, the melting range can be sharply demarcated.
In einer erfinderischen Ausgestaltung besteht der metallische Überzug aus Gold oder Silber.In an inventive embodiment, the metallic coating consists of gold or silver.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zur Schaffung von in die Signalleiterbahnen integrierten Widerständen Abschnitte der Signalleiterbahnen mit einem geringeren Stromleitungsquerschnitt als die umgebenden Signalleiterbahnen ausgebildet.In an advantageous embodiment, sections of the signal conductor tracks with a smaller current line cross-section than the surrounding signal conductor tracks are formed in order to create resistors integrated in the signal conductor tracks.
Iin der Leistungselektronik werden bevorzugt die leistungstragenden Schaltungselemente gedruckt und die Signalleitungen gelasert.In the power electronics, the power-carrying circuit elements are preferably printed and the signal lines are lasered.
Ein erfindungsgemäßes keramisches Substrat mit Metallisierungen aus Pads und aus Signalleiterbahnen, wobei die Pads eine größere Dicke als die Signalleiterbahnen aufweisen, und mit einem elektrisch leitenden Verbindungsbereich des Pads zur Signalleiterbahn, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus Aluminiumnitrid besteht und sich auf der Signalleiterbahn im Verbindungsbereich geschmolzenes Metall des Pads befindet.A ceramic substrate according to the invention with metallizations comprising pads and signal conductor tracks, wherein the pads have a greater thickness than the signal conductors, and with an electrically conductive connection region of the pad to the signal conductor, is characterized in that the ceramic consists of aluminum nitride and on the signal conductor in the Connection area molten metal of the pad is located.
Die Signalleiterbahnen bestehen erfindungsgemäß aus elektrisch leitendem Aluminium. Zumindest direkt auf dem Substrat. Das Aluminium kann durch andere Metalle aufgebaut sein.The signal conductors according to the invention consist of electrically conductive aluminum. At least directly on the substrate. The aluminum can be constructed by other metals.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von vier Figuren weiter beschrieben.The invention will be further described with reference to four figures.
Erfindungsgemäß wird ein keramisches Substrat
Anschließend werden in einem dritten Verfahrensschritt (siehe
In einem vierten Verfahrensschritt, der mit dem dritten Verfahrensschritt bevorzugt verbunden ist, wird der Laserstrahl auf den Verbindungsbereich zwischen den Pads
In bevorzugter Ausführungsform wird der Laserstrahl, ausgehend von den Signalleiterbahnen
In einem optionalen fünften Verfahrensschritt (siehe
Für Leistungselektronik werden Leiterbahnen mit dickem Querschnitt verwendet um hohe Ströme zu leiten, und dünne Signalleiterbahnen
Bei einer Verwendung von gedruckten Signalleiterbahnen
Über das Embedded Verfahren können jedoch keine Signalleiterbahnen
Ohne das durch die Erfindung beschriebene Verfahren, ist es nicht möglich diese beiden Verfahren zu kombinieren. Erfindungsgemäß wird auf der AlN-Keramik durch die Überlappung von lasereingebrachten Signalleiterbahnen
Bisher kommt es bei der Verwendung von pastenmetallisierten Signalleiterbahnen zu einigen Problemen. Im Sinne von 3iP (Leistungselektronik), bei der stromtragende dicke Metallisierungen mit dünnen Signalleitungen kombiniert werden, kann es zu zusätzlichen Kosten (Verwendung mehrerer unterschiedlicher Siebe) und zu Problemen bei der Wahl der Metallisierungspaste (Signalleitungen wurden nur in Grundpaste ausgeführt, die zu Problemen in der galvanischen Behandlung führen). So far, there are some problems with the use of paste metallised signal traces. In the sense of 3iP (power electronics), in which current-carrying thick metallizations are combined with thin signal lines, it can lead to additional costs (use of several different screens) and problems in the choice of metallization paste (signal lines were executed only in base paste, which causes problems in lead the galvanic treatment).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren spart man sich das Sieb und die Paste für die Signalleitungen und die entstehende Al-Schicht ist gut galvanisch aufzubauen.In the method according to the invention, it saves the screen and the paste for the signal lines and the resulting Al layer is easy to build galvanic.
Im Sinne von Lichtanwendungen, bei der Lötstopplacke verwendet werden, kommt es zum Problem, dass durch den Höhenunterschied zwischen Keramik und Metallisierungsoberfläche keine gleichmäßige Dicke des Lötstopplackes zu realisieren ist. Die auszusparenden Lötpads werden bei der Erfindung frei gelassen. Die lotstopplackbedeckten Leiterbahnen sind sehr eben, wodurch es zu einer gleichmäßigen Schichtdicke des Lackes kommt. Ebenso wird auch Metallisierungspaste gespart.For the purposes of light applications in which solder resists are used, there is the problem that the height difference between the ceramic and the metallization surface does not allow a uniform thickness of the solder resist to be realized. The solder pads to be spared are left free in the invention. The lotstopplackbedeckten tracks are very flat, resulting in a uniform layer thickness of the paint. Likewise also Metallisierungspaste is saved.
Die durch den Laserstrahl entstandene Signalleiterbahn (Aluminiumleiterbahn) hat einen gewissen Widerstand. Diesen kann man durch galvanische Aufbauten weiter reduzieren. Bei geeignetem Layout kann man somit bestimmte Widerstände direkt in die Leiterplatte integrieren.The resulting by the laser beam signal trace (aluminum trace) has a certain resistance. This can be further reduced by galvanic structures. With a suitable layout, it is thus possible to integrate certain resistances directly into the printed circuit board.
Ein Problem, welches derzeit noch bei den direkt gelaserten Leiterbahnen auftritt, ist eine zu schwankende Haftung beim Belöten der Teile. Dieses wird durch die gedruckten Löt-/Bondpads relativiert.A problem which still occurs in the case of the directly lasered printed conductors is a fluctuating adhesion when soldering the parts. This is relativized by the printed soldering / bonding pads.
Die Erfindung beschreibt somit das Verbinden von Metallisierungspads auf AlN-Keramik mit lasergefertigten galvanisierten Signalleiterbahnen. Mit Laser eingebrachte Signalleiterbahnen kann man zum Beispiel als Steuerungsschaltungen für dick metallisierte Signalleiterbahnen (Leistungselektronik) oder als Verbindung zwischen Löt- oder Bondpads verwenden. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um ohne Sieb- und Pastenkosten individuelle Signalleiterbahnen zu erschaffen oder um Paste durch Wegfallen der Steuerungsschaltungen zu sparen.The invention thus describes the joining of metallization pads on AlN ceramic with laser-fabricated galvanized signal conductor tracks. With laser introduced signal traces can be used for example as a control circuits for thick metallized signal conductors (power electronics) or as a connection between solder or bond pads. This method can be used to create individual signal traces without sieving and paste costs, or to save paste by eliminating the control circuitry.
Für die Leistungselektronik werden zurzeit die Steuerungsschaltungen mit einer dünnen Schicht Paste gedruckt und die leistungstragenden Schaltungsteile mit dicker Metallisierung weiter aufgebaut. Dies benötigt mindestens zwei verschiedene Siebe und es kann zu Problemen kommen bzgl. der Pastenwahl (u.a. Dicke der Grund- / Deckpaste, Galvanisierbarkeit). For power electronics, the control circuits are currently printed with a thin layer of paste and the power-carrying circuit parts are further built with thick metallization. This requires at least two different sieves and there may be problems regarding the selection of pastes (including thickness of the base / top paste, galvanizability).
Bei Lichtanwendungen wird das komplette Layout gedruckt. Hier kann es aber bei der Verwendung von Lötstoppmasken häufig zu Problemen kommen wegen der Höhe der Signalleiterbahnen (Höhendifferenz zwischen Signalleiterbahnen und Keramik)For light applications, the complete layout is printed. Here, however, it can often lead to the use of solder masks problems because of the height of the signal traces (height difference between signal traces and ceramic)
Gemäß der Erfindung werden bei der Leistungselektronik die leistungstragenden Schaltungselemente gedruckt und die Signalleitungen gelasert. Es entfällt die Verwendung verschiedener Siebe.According to the invention, in the power electronics, the power-carrying circuit elements are printed and the signal lines are lasered. It eliminates the use of different sieves.
Bei Lichtanwendungen werden die Teile der Signalleiterbahnen auf denen gebondet oder gelötet wird mit Paste aufgebracht und der Rest mit Laser eingebracht. Die Lötstoppmaske kann danach problemlos über die Signalleiterbahnen gedruckt werden, da diese nahezu keine Erhöhung haben.In light applications, the parts of the signal conductors on which are bonded or soldered are applied with paste and the remainder introduced with laser. The solder mask can then easily be printed on the signal traces, as they have almost no increase.
Über die Länge und Art der galvanischen Behandlung kann auch der Widerstand der entstehenden Signalleiterbahnen reguliert werden.The length and type of galvanic treatment can also be used to regulate the resistance of the resulting signal conductors.
Der Prozesshergang ist die vollständige Prozessierung der Metallisierung bis kurz vor der Galvanik, Einbringung der gelaserten Signalleiterbahnen mit einer Überlappung auf die Metallisierungspads, Ultraschallreinigen oder Bürsten zur Entfernung des Schmauches und folgende Galvanik (Ni/Au)The process is the complete processing of the metallization until shortly before electroplating, insertion of the lasered signal conductors with an overlap on the metallization pads, ultrasonic cleaning or brushes to remove the smoke and subsequent electroplating (Ni / Au)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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