DE102017223648A1

DE102017223648A1 - Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen aus Aluminium durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium und Schaltungsträgeranordnung mit Leiterbahnen aus Aluminium auf einem Trägersubstrat

Info

Publication number: DE102017223648A1
Application number: DE102017223648.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Guyenot; Andreas Fix
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen (26) aus Aluminium (28) durch Umwandlung von Aluminiumnitrid (24) in Aluminium (28), wobei ein Trägersubstrat (22) aus einem von Aluminiumnitrid (24) verschiedenen Material mit dem zur Umwandlung vorgesehenen Aluminiumnitrid (24) beschichtet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsträgeranordnung (20) mit Leiterbahnen (26) aus Aluminium (28) auf einem Trägersubstrat (22), wobei das Aluminium (28) der Leiterbahnen (26) ein aus Aluminiumnitrid (24) umgewandeltes Aluminium (28) ist, wobei das Trägersubstrat (22) aus einem von Aluminiumnitrid (24) verschiedenem Material besteht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen aus Aluminium durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium und eine Schaltungsträgeranordnung mit Leiterbahnen aus Aluminium auf einem Trägersubstrat.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 39 42 472 A1 ist ein Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen auf einem Substrat aus Aluminiumnitrid bekannt. Dabei wird die Oberfläche des Substrates bestrahlt, so dass der Stickstoff des Aluminiumnitrids freigesetzt wird und die bestrahlten Bereiche nach Beendigung der Bestrahlung durch reines Aluminium gebildet werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen aus Aluminium durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium, wobei ein Trägersubstrat aus einem von Aluminiumnitrid verschiedenen Material mit dem zur Umwandlung vorgesehenen Aluminiumnitrid beschichtet wird, hat demgegenüber den Vorteil, dass im Vergleich zu Aluminiumnitrid kostengünstigen Materialen des Trägersubstrats genutzt werden können.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Material des Trägersubstrats ein anorganisches Material, vorzugsweise eine Metalloxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxid Al₂O₃ und/oder Zirkonoxid, ist, da diese Materialien besonders kostengünstig sind und gleichzeitig einfach hergestellt und bearbeitet werden können. Aluminiumoxid Al₂O₃ ist ein oxidkeramischer Werkstoff aus der Sauerstoffverbindung des Elements Aluminium. Zirkonoxid (ZrO₂) ist eine Oxidkeramik aus der Sauerstoffverbindung des Elements Zirconium. Vorzugsweise ist das Material des Trägersubstrats ein elektrisch isolierender Festkörper, insbesondere mit einem spezifischen Widerstand von über 10⁸ Ω*cm. Dies hat den Vorteil, dass die auf dem Trägersubstrat befindlichen Leiterbahnen gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert sind, da damit sowohl das Trägersubstrat als auch das umgebenden Aluminiumnitrid mit einem spezifischen Widerstand von 10¹³ Ω*cm und auch die umgebende Luft elektrisch isolierend sind.
Vorteilhaft ist ferner, dass das Trägersubstrats durch Aufdampfen und/oder Plasmabeschichten mit Aluminiumnitrid beschichtet wird, da mit diesen Verfahren das Aluminiumnitrid einfach und gleichzeitig in der vorgegebenen Schichtdicke auf das Trägersubstrat aufgetragen werden kann.
Vorteilhaft ist, dass eine Aluminiumnitridfolie auf dem Trägersubstrat gefügt wird, insbesondere eine Aluminiumnitridfolie auf dem Trägersubstrat durch Hartlöten gefügt wird, da ein solcher Fügeprozess einfach durchgeführt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist ferner, dass die Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium zur Ausbildung der Leiterbahnen durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch Bestrahlung mit Laserstrahlung, erfolgt. Durch die Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung wird der Stickstoff aus dem Aluminiumnitrid freigesetzt und entsteht reines Aluminium, das im Vergleich zu Aluminiumnitrid eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Zur Ausbildung der Leiterbahnen wird das Aluminiumnitrid lediglich lokal bestrahlt. Dies geschieht vorzugsweise zur einen Laserscanner, der die Oberfläche des Aluminiumnitrids abscannt. Alternativ oder zusätzlich wird die Oberfläche mit einer Negativmaske bedeckt und anschließend großflächig bestrahlt, so dass lediglich die Stellen bestrahlt werden, an denen die Leiterbahnen vorgesehen sind.
Vorteilhaft ist ferner, dass die durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium hergestellten Leiterbahnen aus Aluminium, insbesondere mittels eines galvanischen Prozesses, durch Metallisierung verstärkt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Leiterbahnen hierdurch eine höhere Stromtragefähigkeit aufweisen.
Die in Bezug auf das Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen aus Aluminium beschriebenen Vorteile gelten entsprechend auch für die beschriebene Schaltungsträgeranordnung.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren und aus den abhängigen Ansprüchen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnungen anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ausbildung von Leiterbahnen aus Aluminium durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium; und
2 eine Schaltungsträgeranordnung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen aus Aluminium durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium beschrieben, wobei ein Trägersubstrat aus einem von Aluminiumnitrid verschiedenen Material mit dem zur Umwandlung vorgesehenen Aluminiumnitrid beschichtet wird. Ferner wird eine Schaltungsträgeranordnung mit Leiterbahnen aus Aluminium auf einem Trägersubstrat beschrieben, wobei das Aluminium der Leiterbahnen ein aus Aluminiumnitrid umgewandeltes Aluminium ist, wobei das Trägersubstrat aus einem von Aluminiumnitrid verschiedenem Material besteht.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ausbildung von Leiterbahnen aus Aluminium durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird ein Trägersubstrat bereitgestellt. Das Trägersubstrat besteht aus einem von Aluminiumnitrid verschiedenen Material. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material des Trägersubstrats ein anorganisches Material, vorzugsweise ein Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid Al₂O₃ und/oder Zirkonoxid ZrO₂, besonders bevorzugt ein isolierendes Material mit einem spezifischen Widerstand von über 10⁸ Ω*cm. Ferner ist das Trägersubstrat im bevorzugten Ausführungsbeispiel als ebene Platte ausgebildet. Die Platte weist eine Plattendicke von 50 µm bis 2000 µm auf. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist das Trägersubstrat als dreidimensionales Trägersubstrat ausgebildet. Insbesondere ist das dreidimensionale Trägersubstrat als ein spritzgegossener Schaltungsträger (MID, molded interconnected device) ausgebildet. In einem zweiten Verfahrensschritt 12 wird das Trägersubstrat mit dem zur Umwandlung vorgesehenen Aluminiumnitrid (AIN) beschichtet. Aluminiumnitrid ist eine chemische Verbindung von Aluminium und Stickstoff, die mit einer vorbestimmten Kristallstruktur vorliegt. Das Aluminiumnitrid wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einer Dampfphase, vorzugsweise mittels Chemische Gasphasenabscheidung (CVD: Chemical Vapour Deposition), auf das Trägersubstrat abgeschieden. Es erfolgt somit ein großflächiges Aufdampfen und/oder Plasmabeschichten von Aluminiumnitrid auf das bereitgestellte Trägersubstrat. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird eine Folie aus Aluminiumnitrid mittels Hartlöten mit dem Trägersubstrat gefügt. Die Beschichtung aus Aluminiumnitrid oder die Aluminiumnitridfolie weist eine Dicke zwischen 10 µm bis 105 µm auf. In einem dritten Verfahrensschritt 14 wird das aufgebrachte Aluminiumnitrid durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch Bestrahlung mit Laserstrahlung, in Aluminium zur Ausbildung der Leiterbahnen umgewandelt. Die abgeschiedene Aluminiumnitridschicht wird somit durch Laserstrukturierung in elementares Aluminium umgewandelt. Es erfolgt eine lokale Umwandlung des beschichteten Aluminiumnitrids nur an den Stellen, an denen Leiterbahnen vorgesehen sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Aluminiumnitrid mittels eines NdYag-Lasers bei einer Wellenlänge von 1024 nm oder mittels eines Diodenlaser bei einer Wellenlänge von 808 nm in Aluminium umgewandelt. Die Laserleistung beträgt zwischen 100 W bis 1000 W als kontinuierliche Leistung. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird ein Laser mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm bis 800 nm eingesetzt, da das Aluminiumnitrid in diesem Wellenlängenbereich eine Absorptionsbande aufweist. Vorzugsweise ist der eingesetzte Laser als Laserscanner ausgebildet, wobei der Laser und/oder das Werkstück bewegt wird. In einem optionalen, vierten Verfahrensschritt 16 werden die durch Umwandlung von Aluminiumnitrid in Aluminium hergestellten Leiterbahnen aus Aluminium, insbesondere mittels eines galvanischen Prozesses, durch Metallisierung mit Nickel und/oder Aluminium und/oder Kupfer verstärkt. Vorzugsweise wird auf die Metallisierung eine abschließende Oberfläche aus Zinn und/oder Platin und/oder einem Edelmetall, insbesondere Gold und/oder Silber, aufgebracht. In einem weiteren optionalen fünften Verfahrensschritt 18 wird ein elektronisches Bauteil, beispielsweise ein Widerstand und/oder ein integrierter elektronischer Schaltkreis, mit zumindest einer der Leiterbahnen elektrisch kontaktiert ist. Vorzugsweise wird das elektronische Bauteil mit zumindest einer der Leiterbahnen durch Löten kontaktiert.
2 zeigt eine Schaltungsträgeranordnung 20, die insbesondere nach dem vorstehend mit Bezug auf die 1 beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Die Schaltungsträgeranordnung 20 umfasst im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein ebenes Trägersubstrat 22, wobei das Trägersubstrat 22 aus einem von Aluminiumnitrid 24 verschiedenem Material besteht. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material des Trägersubstrats 22 ein anorganisches Material, vorzugsweise ein Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid Al₂O₃ und/oder Zirkonoxid ZrO₂. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist das Trägersubstrat 22 als dreidimensionales Trägersubstrat 22, insbesondere als spritzgegossenes Trägersubstrat 22, ausgebildet. Ferner umfasst die Schaltungsträgeranordnung 20 Leiterbahnen 26 aus Aluminium 28 auf dem Trägersubstrat 22, wobei das Aluminium 28 der Leiterbahnen 26 ein aus Aluminiumnitrid 24 umgewandeltes Aluminium 28 ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Aluminium 28 der Leiterbahnen 26 ein aus einer Beschichtung des Trägersubstrats 22 mit Aluminiumnitrid 24 umgewandeltes Aluminium 28 ist. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass das Aluminium 28 der Leiterbahnen 26 ein aus einer Aluminiumnitridfolie umgewandeltes Aluminium 28 ist, wobei die Aluminiumnitridfolie mittels Hartlöten mit dem Trägersubstrat 22 gefügt ist. Das Trägersubstrat weist eine Dicke von 50 µm bis 2000 µm auf. Die Beschichtung aus Aluminiumnitrid oder die Aluminiumnitridfolie weist eine Dicke zwischen 10 µm bis 105 µm auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Trägersubstrats 22 an den Bereichen an denen sich kein aus Aluminiumnitrid 24 umgewandeltes Aluminium 28 befindet, also außerhalb der Leiterbahnen 26, mit Aluminiumnitrid 24 beschichtet ist. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels wurde das restliche Aluminiumnitrid nach der Ausbildung der Leiterbahnen 26 durch einen Abtrageprozess teilweise oder vollständig entfernt. Optional sind die Leiterbahnen 26 aus Aluminium 28 durch eine Metallisierungsschicht 30 derart verstärkt, dass die Dicke der Leiterbahnen 26 größer ist, als die Dicke der Beschichtung mit Aluminiumnitrid 24. Vorzugsweise besteht die Metallisierungsschicht 30 aus Nickel und/oder Aluminium und/oder Kupfer. Vorzugsweise wird die abschließende Oberfläche der verstärken Leiterbahnen durch Zinn und/oder Platin und/oder ein Edelmetall, insbesondere Gold und/oder Silber, gebildet. Die Schaltungsträgeranordnung 20 gemäß der 2 ist lediglich ein Ausschnitt einer ausgedehnten Schaltungsträgeranordnung 20, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel ferner wenigstens ein nicht gezeigtes elektronisches Bauteil umfasst, das mit zumindest einer der Leiterbahnen 26 elektrisch kontaktiert ist. Bei dem elektronischen Bauteil handelt es sich um ein elektronisches Bauteil, insbesondere ein passives Bauteil, beispielsweise ein Widerstand und/oder ein Kondensator, und/oder um ein aktives elektronisches Bauteil, beispielsweise eine Diode und/oder einen Transistor und/oder einen integrierten elektronischen Schaltkreis, und/oder ein aktives Sensorelement und/oder ein Heizelement, beispielsweise einer Glühstiftkerze.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3942472 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ausbildung von Leiterbahnen (26) aus Aluminium (28) durch Umwandlung von Aluminiumnitrid (24) in Aluminium (28), dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägersubstrat (22) aus einem von Aluminiumnitrid (24) verschiedenen Material mit dem zur Umwandlung vorgesehenen Aluminiumnitrid (24) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Trägersubstrats (22) ein anorganisches Material, insbesondere ein Metalloxid, vorzugsweise Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrats (22) durch Aufdampfen und/oder Plasmabeschichten mit Aluminiumnitrid (24) beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumnitridfolie auf dem Trägersubstrat (22) gefügt wird, insbesondere eine Aluminiumnitridfolie auf dem Trägersubstrat (22) durch Hartlöten gefügt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung von Aluminiumnitrid (24) in Aluminium (28) zur Ausbildung der Leiterbahnen durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch Bestrahlung mit Laserstrahlung, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Umwandlung von Aluminiumnitrid (24) in Aluminium (28) hergestellten Leiterbahnen (26) aus Aluminium (28), insbesondere mittels eines galvanischen Prozesses, durch Metallisierung verstärkt werden.
Schaltungsträgeranordnung (20), insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Leiterbahnen (26) aus Aluminium (28) auf einem Trägersubstrat (22), wobei das Aluminium (28) der Leiterbahnen (26) ein aus Aluminiumnitrid (24) umgewandeltes Aluminium (28) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (22) aus einem von Aluminiumnitrid (24) verschiedenem Material besteht.
Schaltungsträgeranordnung (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium (28) der Leiterbahnen (26) ein aus einer Beschichtung des Trägersubstrats (22) mit Aluminiumnitrid (24) umgewandeltes Aluminium (28) ist.
Schaltungsträgeranordnung (20) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (22) neben den Leiterbahnen (26) aus Aluminium (28) mit Aluminiumnitrid (24) beschichtet ist.
Schaltungsträgeranordnung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumnitridfolie auf dem Trägersubstrat (22) gefügt ist, insbesondere eine Aluminiumnitridfolie auf dem Trägersubstrat (22) durch Hartlöten gefügt ist.
Schaltungsträgeranordnung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Trägersubstrats (22) ein anorganisches Material, insbesondereein Metalloxid, vorzugsweise Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid, ist.
Schaltungsträgeranordnung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (26) aus Aluminium (28) durch eine Metallisierungsschicht (30) verstärkt sind.
Schaltungsträgeranordnung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch wenigstens ein elektronisches Bauteil, das mit zumindest einer der Leiterbahnen (26) elektrisch kontaktiert ist.