DE19510988A1 - Schaltungsträger - Google Patents
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Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schaltungsträger, der einen Keramikbauteil
mit metallischen Leiterbahnen auf dessen Oberfläche umfaßt.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schaltungsträger in Form eines
Chip-Gehäuses, der einen Keramikbauteil mit einer elektrisch isolierenden Auflage für den
Chip umfaßt, wobei auf der Oberfläche des Keramikbauteils metallische Leiterbahnen zur
elektrischen Versorgung des Chip und im Inneren des Keramikkörpers Metallbrücken zur
Ableitung der durch den Chip gebildeten Wärme vorgesehen sind.
Schließlich sind auch Verfahren zur Herstellung dieser Schaltungsträger bzw. Chip-Gehäuse
Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Schaltungsträger, bei denen metallische Leiterbahnen auf der Oberfläche eines Keramikbau
teils vorgesehen sind, werden häufig verwendet und sind bekannter Stand der Technik. Die
Leiterbahnen werden in der Regel durch eine Art Siebdruckverfahren auf der keramischen
Unterlage aufgebracht. Dabei wird eine elektrisch leitende Siebdruckpaste verwendet.
Die so hergestellten Leiterbahnen weisen jedoch vielfach Qualitätsmängel auf. Die Haftung
der Leiterbahnen an ihrer Unterlage ist unzureichend und es besteht daher ein Bedarf an ver
besserten Schaltungsträgern.
Im Zuge vielfältiger Forschungen konnte nun eine Möglichkeit zur Herstellung neuer Schal
tungsträger entwickelt werden, wobei die Verbesserung eindeutig dadurch entsteht, daß das
Metall schmelzflüssig auf die Oberfläche des Keramikbauteils aufgegossen wird.
Der erfindungsgemäße Schaltungsträger der eingangs genannten Art ist daher dadurch ge
kennzeichnet, daß die Leiterbahnen aus einer aufgegossenen Metallschicht bestehen.
Es ist am fertigen Bauteil durch Schliffbilder erkennbar, daß sich das auf diese Weise aufge
brachte Metall in dichterer Form an die Oberfläche des Keramikbauteils anlegt und daher
besser an diesem haftet als bei den üblichen Siebdruckverfahren.
Ein einfaches Aufgießen des Metalls in Form der Leiterbahnen ist allerdings nur in wenigen
Fällen möglich, da die Leiterbahnen häufig sehr fein und spinnennetzartig dicht sein müssen,
was auf diese Weise schwer erzielbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Leiterbahnen in rillenförmigen
Vertiefungen des Keramikbauteils vorgesehen sind.
Durch dieses Einbetten der Leiterbahnen in Rillen ist eine sehr gute Haftung der Leiterbahnen
auf dem Keramikbauteil gewährleistet.
Nach einer anderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß mit dem Keramikbau
teil ein Bauteil aus Metall und/oder Metall-Matrix-Compound-(MMC)-Material verbunden
ist.
Durch diese Maßnahmen wird ein verbesserter Wärmeübergang erzielt, so daß auch höhere
Verlustleistungen, die am Keramik-Bauteil auftreten, problemlos abgeleitet werden können.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß an wenigstens einer Seiten
kante der Keramikbauteil zumindest bereichsweise von dem Bauteil aus Metall und/oder
MMC-Material freigehalten ist.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn für einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger eine iso
lierende Auflagefläche vorgesehen werden soll.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfah
rens zur Herstellung der oben genannten Schaltungsträger.
Ein derartiges Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikbau
teil, gegebenenfalls gemeinsam mit einer Vorform aus poröser Keramik oder aus der Verstär
kung eines MMC-Materials und/oder gemeinsam mit einem Bauteil aus MMC-Material
und/oder aus Metall, mit dem zur Herstellung der Leiterbahnen gewünschten Metall umgos
sen wird und die Leiterbahnen durch lokales Entfernen der oberflächlichen Metallschicht des
Keramikbauteils herausgearbeitet werden.
Vorzugsweise werden die Leiterbahnen ähnlich wie bei photolithographischen Verfahren,
durch Abätzen, Wegbrennen oder Laserbehandlung freigelegt.
Dadurch können die benötigten sehr dünnen Strukturen mit sehr dichter Vernetzung an Lei
terbahnen erzeugt werden.
Zur Herstellung derartiger Schaltungsträger kann so vorgegangen werden, daß bei Vorliegen
rillenförmiger Vertiefungen im Keramikbauteil die Metallfüllung in denselben durch ein mit
der Bauteiloberfläche fluchtendes Abarbeiten der oberflächlichen Metallschicht freigelegt
wird.
Dadurch verbleibt die metallische Füllung lediglich in den vorgesehenen Rillen, wodurch auf
einfache Weise Leiterbahnen hergestellt werden können, die durch ihre halb versenkte Lage
im Keramikbauteil sehr gut mit diesem in Haftung sind.
In einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung hat sich nun gezeigt, daß diese Ar
beitsweise auch zur Herstellung von Chip-Gehäusen äußerst vorteilhaft ist.
Chip-Gehäuse zur Verwendung in der Elektronik werden z. B. in der PCT-Anmeldung
91/13462 der Lanxide Technology Corporation beschrieben. Die bekannten Gehäuse bestehen
aus einem Makroverbundkörper, der durch spontane Infiltration eines teilchenförmigen Füll
materials mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall und gleichzeitige Bindung des entstehen
den Produkts an einen zweiten Körper, vorzugsweise einen Isolator, gebildet wird. Das Füll
material wird dabei als solches oder als Vorform in einer Form vorgelegt. Jedenfalls handelt
es sich bei diesem Füllmaterial um eine teilchenförmige oder poröse Masse, die ein Eindrin
gen des Metalls erlaubt. Das Füllmaterial besteht u. a. aus keramischem Material oder einem
mit Keramik überzogenen Material.
Diese durch Metall verbundenen Füllstoffe sind bekannt und werden Matrix-Metall-Com
pounds (MMC) genannt. Sie haben in der Technik auf verschiedenen Gebieten bereits Ein
gang gefunden.
Das MMC-Material wird beim Aufbau von Chip-Gehäusen als wärmeaufnehmendes Material
verwendet, um die vom Chip entwickelte Hitze abzuleiten.
Die US-PS 5 039 577 beschreibt eine Unterlagsstruktur mit einer Doppelschicht, die eine
Verstärkung einerseits mit teilchenförmigem Material, andererseits mit Graphitfasern enthält.
Die Thermoleitfähigkeits-, Elastizitäts- und thermischen Eigenschaften der Doppelschicht
lassen sich durch Variation dieser Verstärkungsmaterialien verändern.
In der EP 0 471 552 wird ein Chip-Gehäuse beschrieben, in dessen Unterlagsplatte ein Kühl
mittelkanal angeordnet ist. Das hindurchstreichende Kühlmittel nimmt die überschüssige
Wärme besser auf als das Material allein.
Bei der Entwicklung der neuen Schaltungsträger in Form von Chip-Gehäusen wurde von den
bekannten Gehäusen ausgegangen, die einen Keramikbauteil mit einer elektrisch isolierenden
Chip-Auflagestelle, oberflächlichen metallischen Leiterbahnen zur elektrischen Versorgung
desselben und gegebenenfalls in seinem Innerem Metallbrücken zur Ableitung der durch den
Chip gebildeten Wärme aufweisen.
Das erfindungsgemäße Chip-Gehäuse ist dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikbauteil
aus dichtgebrannter Keramik mit durchgehenden, insbesonders röhrchenförmigen, metallge
füllten Kanäle besteht, und daß die Leiterbahnen aus einer aufgegossenen Metallschicht be
stehen.
Durch diese Maßnahmen wird einerseits eine bessere Wärmeverteilung oder Wärmeleitung
im Chip-Gehäuse in über die durchgehenden Kanäle vorwählbarer Weise ermöglicht und an
dererseits eine gute Haftung der Leiterbahnen bewirkt. Weiters können die metallgefüllten
Kanäle auch als elektrische Leitungen, insbesondere Anschlußleitungen, durch den Keramik
bauteil hindurch benutzt werden.
Wesentlich ist auch hier wieder das Herstellungsverfahren für derartige Chip-Gehäuse, bei
welchem erfindungsgemäß ein dichtgebrannter Keramikbauteil, der Durchbrechungen oder
z. B. röhrchenförmige Kanäle aufweist, wobei beim Umgießen diese gleichzeitig mit Metall
gefüllt werden. Die erforderlichen Leiterbahnen werden dann durch lokales Entfernen der
oberflächlichen Metallschicht herausgearbeitet.
Die Bohrungen oder röhrchenförmigen Kanäle haben Durchmesser im Bereich von Zehntel
Millimetern, die Stege dazwischen haben eine Stärke von vorzugsweise etwa 0,5 mm. Die
Anbringung der Bohrungen erfolgt im Zustand des ungebrannten "green tape", d. h. bevor die
Keramikmasse ihren endgültigen Brand erfahren hat.
Wie bei den oben beschriebenen Schaltungsträgern können auch hier die metallischen Leiter
bahnen mit Vorteil in rillenförmigen Vertiefungen des Keramikbauteils vorgesehen sein.
Um für den Chip eine isolierende Auflagefläche bereitzustellen, ist es günstig, wenn die An
ordnung der Kanäle in dem Keramikbauteil einen Platz aus dichtgebrannter Keramik für den
Chip frei läßt.
Es kann aber auch ein eigenes Isolatorplättchen zu diesem Zweck auf dem mit Metallbrücken
versehenen Keramikbauteil vorgesehen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß
der Keramikbauteil an einer dem Chip gegenüberliegenden Seite eine erste Ausnehmung
aufweist, in welcher eine Einlage aus Metall und/oder
Metall-Matrix-Compound-(MMC)-Material vorgesehen ist.
Dadurch wird eine zusätzliche Verbesserung der Wärmeableitung erreicht.
Ferner kann eine zweite Ausnehmung im Keramikbauteil vorgesehen sein, und daß darin der
Chip angeordnet ist.
Bevorzugt wird zu diesem Zweck in der ersten Ausnehmung eine ringförmige Einlage aus
MMC-Material angebracht.
Wenn die Wärmeabfuhr noch immer nicht ausreicht, so können in der MMC-Einlage und ge
gebenenfalls auch in deren Metallhülle Kühlkanäle für ein Kühlmittel vorgesehen werden.
Als Kühlmittel kommen Luft oder Kühlflüssigkeiten in Frage.
In manchen Fällen kann es günstig sein, den Keramikbauteil mehrlagig aufzubauen, wobei
die röhrchenförmigen Kanäle zum Teil in der Ebene des Keramikbauteils und/oder wenig
stens zum Teil senkrecht dazu angeordnet sein können.
Ein derartig in Schichten aufgebauter Keramikbauteil kann vorteilhaft zur Bewältigung von
in einer Dimension auftretenden Überschneidungen einer großen Anzahl von Anschlußleitun
gen angewendet werden.
Zur Verschweißung des Gehäuses mit einem Deckel ist es günstig, im Randbereich des Ke
ramikbauteils eine Nut oder Stufe vorzusehen, die sich während des Metalldruckgusses mit
Metall füllt.
Dadurch braucht kein eigener Produktionsschritt zur Herstellung einer solchen Verbindungs
nut vorgesehen werden.
Das Umgießen mit Metall kann drucklos oder unter Druck erfolgen. Letzteres wird insbeson
dere dann zweckmäßig bzw. erforderlich sein, wenn es sich um poröse Keramik handelt, die
zumindest bereichsweise mit Metall durchdrungen werden soll. Hiebei haben sich z. B. bei Si
liziumkarbid Drucke im Bereich von 100-140 bar als besonders vorteilhaft erwiesen.
Als Wandstärken der gebildeten oberflächlichen Metallschichten haben sich solche im Be
reich von Zehntel Millimetern als günstig erwiesen.
Wie bei den eingangs erwähnten Schaltungsträgern werden auch hier die Leiterbahnen bevor
zugt wie bei photolithographischen Verfahren, durch Ätzen, Wegbrennen oder Laserbehand
lung herausgearbeitet.
Bei der Anordnung rillenförmiger Vertiefungen im Keramikbauteil werden diese nach der
Umgießung mit Metall durch ein mit der Bauteiloberfläche fluchtendes Abarbeiten der ober
flächlichen Metallschicht freigelegt.
Als Materialien für die einzelnen Bauteil-Komponenten haben sich folgende als günstig er
wiesen:
Der Keramikbauteil besteht in der Regel aus dichtgebrannter Keramik, wobei unter "dichtgebrannt" stets "nicht porös" zu verstehen ist.
Der Keramikbauteil besteht in der Regel aus dichtgebrannter Keramik, wobei unter "dichtgebrannt" stets "nicht porös" zu verstehen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Keramik des Keramikbauteils
eine Oxid-, Karbid-, und/oder eine Nitrid-Keramik, z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid
oder Berylliumoxid.
Das Infiltrationsmetall besteht meist aus Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Silizium, Kupfer,
Molybdän oder Legierungen derselben.
Der MMC-Werkstoff kann als Verstärkermaterial eine Oxid-, Karbid- und/oder Nitrid-Ke
ramik, z. B. Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid oder
Kohlenstoff enthalten.
Mit Vorteil wird ein derartiges Chip-Gehäuse auch zum Schutz von Multichipmodulen
(MCM) verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger;
Fig. 2a einen Schnitt entlang I-I gemäß Fig. 1;
Fig. 2b eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform im Schnitt;
Fig. 2c eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform im Schnitt;
Fig. 2d eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform im Schnitt;
Fig. 2e eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform im Schnitt;
Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform im Schnitt;
Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform im Schnitt gemäß Fig. 5;
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger mit Chip;
Fig. 6 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit Chip im Schnitt;
Fig. 7 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit Chip im Schnitt;
Fig. 8 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit Chip im Schnitt;
Fig. 9 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit Chip im Schnitt;
Fig. 10 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit Chip im Schnitt;
Fig. 11 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit Chip im Schnitt.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers bzw. Chip-Gehäuses kann ein
Verfahren angewendet werden, bei dem ein Keramikbauteil, gegebenenfalls gemeinsam mit
einer Vorform, mit dem zur Herstellung der Leiterbahnen gewünschten Metall umgossen
wird. Die Leiterbahnen werden danach durch lokales Entfernen der oberflächlichen Metall
schicht des Keramikbauteils herausgearbeitet. Die in diesem Zusammenhang eingesetzte
Vorform kann etwa aus poröser Keramik oder aus der Verstärkung eines Metall-Matrix-
Compound-(MMC)-Materials bestehen, so daß beim Gießvorgang neben der Oberflächen
schicht auch ein MMC-Verbundwerkstoff gebildet wird. Zusätzlich kann ein Bauteil aus
MMC-Material und/oder aus Metall vorgesehen sein, der dann gemeinsam mit der porösen
Keramik oder der Verstärkung vergossen wird. Alternativ kann aber auch nur der Keramik
bauteil mit einem Bauteil aus MMC-Material und/oder aus Metall gemeinsam vergossen wer
den. Die Keramik des Keramikbauteils kann eine Oxid-, Karbid- und/oder eine Nitrid-Kera
mik, z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid sein, das Infiltrationsmetall
beispielsweise aus Aluminium, Eisen, Cobalt, Silizium, Kupfer, Molybdän oder Legierungen
derselben bestehen und der MMC-Werkstoff als Verstärkermaterial eine Oxid-, Karbid-, und/oder
Nitrid-Keramik, z. B. Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Alumini
umoxid, Bornitrid oder Kohlenstoff enthalten.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Schaltungsträger in seiner einfachsten Form in der Drauf
sicht dargestellt. Der Keramikbauteil 1 trägt an seiner Oberfläche eine aufgegossene Metall
schicht, die durch Umgießen des Keramikkörpers entstanden ist und aus der durch lokales
Entfernen der oberflächlichen Metallschicht Leiterbahnen 2 herausgearbeitet wurden. Das lo
kale Entfernen kann beispielsweise durch ein photolithographisches Verfahren, Ätzen, Weg
brennen oder Laserbehandlung ausgeführt werden.
Fig. 2a stellt einen Schnitt durch den Schaltungsträger von Fig. 1 entlang der Ebene I-I dieser
Figur dar. Dabei ist die Leiterbahn 2 als von der Oberfläche des Schaltungsträgers erhaben zu
sehen.
Fig. 2b zeigt in einem Schnitt durch eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform dage
gen die Leiterbahn 2 in einer rillenförmigen Vertiefung 3 auf der Oberfläche des Keramik
bauteils 1. Dies wird so realisiert, daß in die Oberfläche des Keramikteils 1 Rillen 3 entspre
chend dem gewünschten Verlauf der Leiterbahnen 2 eingearbeitet werden und darauf der Ke
ramikkörper 1 durch Umgießen mit einer Metallschicht mit dem zur Herstellung der Leiter
bahnen gewünschten Metall umgeben wird. Danach wird diese Schicht flächig bis mit der
Keramikoberfläche fluchtend abgearbeitet, so daß nur noch Metall in den Rillen 3 verbleibt.
In Fig. 2c ist in einer weiteren Ausführungsform ein Keramikbauteil 1 mit einem Bauteil 10
aus Metall-Matrix-Compound-Material (MMC) verbunden, welcher auch noch zusätzlich
zum Teil aus reinem Metall bestehen kann. Auf der Oberfläche des Keramikbauteils 1 sind
Leiterbahnen 2 erhaben geführt, die wie im Beispiel aus Fig. 1 und 2 produziert werden. Die
Leiterbahnen 2 können aber auch wie in Fig. 2b in rillenförmigen Vertiefungen geführt sein.
Fig. 2d stellt eine weitere Variante dar, wobei auf einem Keramikbauteil 1 ein Bauteil aus
Metall und/oder MMC-Material aufgebracht ist und dabei an der Verbindungsfläche ein Be
reich freigehalten ist. Auf diesem Bereich sind Leiterbahnen 2 erhaben ausgeführt. Dies kann
aber durchaus wieder in dafür vorgesehenen Rillen geschehen. Fig. 2e zeigt hiezu eine Wei
terbildung, bei welcher die Leiterbahnen 2′ bis auf die Unterseite des Keramikbauteils geführt
sind.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger in Form eines Chip-Gehäuses mit ei
nem Keramikbauteil 1, der eine elektrisch isolierende Auflage für einen Chip 5 bildet und in
dem senkrecht durchgehende als Bohrungen 4 ausgeführte Kanäle vorgesehen sind. Dabei be
steht der Keramikbauteil aus nichtporösem, dichtgebranntem Keramikmaterial. Die Bohrun
gen 4 werden durch das Umgießen mit Metall gefüllt und stellen eine wärmeleitende bzw.
elektrisch leitende Verbindung der beiden horizontalen Flächen des Gehäuses dar. Dadurch
kann einerseits die Wärmeableitung erhöht und auftretende durch Temperaturunterschiede
hervorgerufene Spannungen vermieden bzw. eine Kontaktierung zur Unterseite vor
genommen werden. Auf der Oberseite des Keramikbauteils 1 ist der Chip 5 aufgesetzt, wobei
die Anordnung der Kanäle 4 derart ist, daß der Chip auf einem Teil der Keramikbauteilober
fläche zu liegen kommt, in dem keine Bohrungen vorgesehen sind. Wiederum sind Leiter
bahnen 2 vorgesehen, die aus einer aufgegossenen Metallschicht bestehen.
Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Schaltungsträgers in der
Form eines Chip-Gehäuses, wobei ein Chip 5 an der Oberfläche des Keramikbauteils 1 ange
ordnet ist und an der dem Chip 5 gegenüberliegenden Seite des Keramikbauteils 1 eine Aus
nehmung 6 vorgesehen ist, in der sich eine ringförmige Einlage 7 aus MMC-Material befin
det. Benachbart dazu verlaufen metallgefüllte Kanäle als Bohrungen 4 durch den Keramik
bauteil 1 hindurch. Die MMC-Einlage dient zur Abführung der vom Chip entwickelten Ab
wärme und kann zu Kühlzwecken noch Kühlkanäle für ein Kühlmittel, oder Oberflächen
strukturierungen z. B. in Form von Kühlrippen der Metallhülle, in die das MMC-Material hin
einreichen kann, aufweisen. Im Randbereich des Keramikbauteils 1 ist eine umlaufende Stufe 8
zu erkennen, mit deren Hilfe nach ihrer Füllung durch den Umgießungsvorgang mit Metall
die mechanische Verbindung zu einem Deckel des Chip-Gehäuses z. B. durch Schweißen her
gestellt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel sind weiters Leiterbahnen 2 in einer
Vertiefung 3 zu erkennen.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel aus Fig. 4, wobei die Mündungen der als
Bohrungen 4 ausgeführten Kanäle, die Leiterbahnen 2, der Chip 5 und die umlaufende Stufe
8 zum Aufschweißen eines Deckels erkennbar sind.
Fig. 6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante mit einem Keramikbauteil 1 und einem
Chip 5, der über die aufgegossenen Leiterbahnen 2 und vertikalen, metallgefüllten Bohrungen
4 mit Anschluß-Pins 13 elektrisch verbunden ist, wobei die Anschluß-Pins 13 auf die metall
gefüllten Bohrungen aufgelötet oder anstelle der Anschlußpins Lötkugeln (ball grid arrays)
vorgesehen sind. Somit ist eine sowohl thermische Ableitung als auch eine gegenseitig iso
lierte elektrische Verbindung von den Anschluß-Pins 13 zum Chip 5 hergestellt. Dadurch erüb
rigen sich komplizierte mechanische Verdrahtungseinrichtungen. Eine Ausnehmung 6 ist
durch das Umgießen mit Metall gefüllt und beinhaltet noch MMC-Bauteile 14 zur Ableitung
der vom Chip 5 produzierten Abwärme sowie zur Anpassung der thermischen Ausdehnung
von Keramik und Metall. Eine mit Metall gefüllte Stufe 8 ist wieder als Verbindungselement
für einen Deckel vorgesehen. Die Leiterbahnen 2 können gemäß der Erfindung auch in Rin
nen geführt sein.
Die Keramik des Keramikbauteils kann in allen Ausführungsbeispielen eine Oxid-, Karbid- und/oder
eine Nitrid-Keramik, z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid
sein, das Infiltrationsmetall beispielsweise aus Aluminium, Eisen, Cobalt, Silizium, Kupfer,
Molybdän oder Legierungen derselben bestehen und der MMC-Werkstoff als
Verstärkermaterial eine Oxid-, Karbid-, und/oder Nitrid-Keramik, z. B. Siliziumcarbid,
Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid oder Kohlenstoff enthalten.
In Fig. 7 ist ein Ausfürungsbeispiel zu sehen, in welchem ein Chip 5 in einer Ausnehmung
15 angebracht ist, die an der gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung 6 vorgesehen ist,
welche analog zu Fig. 7 einen MMC-Bauteil 14 aufnimmt und mit dem Umgießungsmetall
oder einem anderen Metall aufgefüllt ist. Anschluß-Pins 13 sind mit mit Metall gefüllten
Kanälen 4, welche in diesem Beispiel nicht senkrecht sondern schräg verlaufen, und über
Leiterbahnen 2 mit dem Chip 5 in elektrischer Verbindung stehen.
Ähnlich zu Fig. 7 sind die Verhältnisse in Fig. 8. Jedoch ist in dieser Variante der Erfindung
eine Bohrung 4 an eine zur Chip-Seite benachbarten Seite des Keramik-Bauteils 1 geführt,
so daß eine elektrische Verbindung vom in einer Ausnehmung 15 untergebrachten Chip 5 über
eine horizontale Leiterbahn 2 über die metallgefüllte Bohrung 4 und über eine an der Seite
des Keramik-Bauteils 1 senkrecht geführte weitere Leiterbahn 2 besteht, wodurch eine seitli
che Kontaktannahme erfolgen kann, etwa über ein in diesem Zusammenhang bekanntes "plug
in-Gehäuse". Der MMC-Bauteil 14 dient wieder der besseren Wärme-Ableitung, sowie zur
thermischen Anpassung von Keramik und Metall, und ist in einer metallgefüllten Ausneh
mung 6 untergebracht.
Hinsichtlich der Anzahl oder der Anordnung der Kanäle oder Bohrungen bestehen keine Be
schränkungen, so daß auch eine Anordnung wie sie in Fig. 9 zu sehen ist, im Rahmen der Er
findung ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Chip 5 in einer Ausnehmung 15 an der re
lativ zur späteren Einbauorientierung nach unten zeigenden Seite des Keramikbauteils 1 an
geordnet und die Kontaktierung nach außen hin erfolgt über waagrechte Bohrungen 4, die mit
Metall gefüllt sind und an der Seite über Leiterbahnen 2 weitergeführt sind. Auch hier kann -
wie strichliert angedeutet - eine mit Metall gefüllte Stufe 8 als ein nach unten weisendes Ver
bindungselement vorgesehen sein.
In Fig. 10 ist ein Keramikbauteil 1 dargestellt, welcher mit einem MMC-Bauteil 17 verbun
den ist, welcher an einer Seite mit Kühlrippen 16 zur besseren Wärmeabfuhr in wärmeleiten
der Verbindung steht. Ein Chip 5 ist in einer Ausnehmung 15 wieder nach unten weisend an
geordnet und über schräg verlaufende, metallgefüllte Bohrungen 4 mit Anschluß-Pins 13
elektrisch kontaktiert.
Fig. 11 stellt eine besondere Variante dar, wobei ein Keramikbauteil 1 mehrlagig aufgebaut
ist und die röhrchenförmigen Kanäle 4 zum Teil in der Ebene des Keramikbauteils 1 und zum
Teil senkrecht dazu angeordnet sind. Es sind in diesem Beispiel insgesamt drei Schichten 18,
19, 20 übereinander angeordnet, die nacheinander in der Form von "green tapes" aufgetragen
werden. Die erste Schicht 18 des Keramikbauteils 1 wird mit senkrechten Kanälen 4 versehen
und an ihrer nach oben weisende Seite entsprechend mit Leiterbahnen 2 in rillenförmigen
Vertiefungen 3 weitergeführt, so daß von einer Mündung eines vertikalen Kanals 4 eine hori
zontale Rille 3 zu einer Stelle weiterläuft, von der aus ein weiterer Kanal 40 der darauffol
genden Schicht 19 weiterführt. Es kann aber auch ein vertikaler Kanal 4 der Schicht 18 in der
darauffolgenden Schicht 19 direkt als vertikaler Kanal 40 weitergeführt werden. Die erste
Schicht 18 wird nach Anbringen der Kanäle 4 und der Rillen 3 mit Metall umgossen, wo
durch die senkrechten Kanäle 4 und die rillenförmigen Vertiefungen 3 mit Metall gefüllt
werden und eine elektrische Leitung in Stufenform bilden. Danach wird die äußere Metall
schicht erfindungsgemäß fluchtend mit der Keramikoberfläche abgetragen, so daß vom Metall
an der Oberfläche nur die Leiterbahnen 2 in den Rillen 3 verbleiben. Danach wird die zweite
Schicht 19 aufgebracht und mit senkrechten Kanälen 40 an den passenden Stellen versehen,
die senkrecht die Schicht 19 durchsetzen. An der oberen Oberfläche der Schicht 19 werden
Rillen 30 eingearbeitet und erneut mit Metall umgossen und daraufhin abgearbeitet. Ebenso
wird die nächste Schicht 20 mit Kanälen 400 und rillenförmigen Vertiefungen 300 versehen
und präpariert. Somit ergeben sich im Inneren dieses mehrlagigen Keramikbauteils 1 abge
stufte elektrische Verbindungen durch mehrere Schichten hindurch, durch die ein Über
schneiden von einer großen Anzahl von Verbindungsleitungen vermieden werden kann. Auf
der oberen Seite von Schicht 20 sind schließlich die Leiterbahnen 200 in den Rillen 300, die
zu Chips 5 führen. Die Stufen können in beliebiger Anordnung gemäß den obenstehenden
Ausführungen verwirklicht werden, genauso ist die Anzahl der Lagen des Keramikbauteils 1
nicht beschränkt. Im übrigen können wenigstens einige der Kanäle 4 mit bezug auf die Ebene
des Keramikbauteils auch schräg von oben nach unten bzw. umgekehrt verlaufen.
Alternativ kann die Anordnung nach Fig. 11 auch dadurch hergestellt werden, daß die einzel
nen "green tape"-Lagen mit den Rillen und Kanälen durch Pragen bzw. Stanzen versehen, so
dann die Lagen zusammengesetzt, gemeinsam gesintert und dann mit Metall umgossen wer
den.
Wieder eine andere Herstellungsvariante ist, daß eine konventionelle metallisierte, mehrla
gige Keramik verwendet wird, die auf einen mit Bohrungen versehenen Keramik aufgebracht,
sodann dieser Aufbau gesintert und mit Metall umgossen wird.
Claims (21)
1. Schaltungsträger, umfassend einen Keramikbauteil mit metallischen Leiterbahnen auf
dessen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2) aus einer auf
gegossenen Metallschicht bestehen.
2. Schaltungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2)
in rillenförmigen Vertiefungen (3) des Keramikbauteils (1) vorgesehen sind.
3. Schaltungsträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ke
ramikbauteil ein Bauteil aus Metall und/oder Metall-Matrix-Compound-(MMC)-Mate
rial verbunden ist.
4. Schaltungsträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer
Seitenkante der Keramikbauteil zumindest bereichsweise von dem Bauteil aus Metall
und/oder MMC-Material freigehalten ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikbauteil, gegebenenfalls gemeinsam mit ei
ner Vorform aus poröser Keramik oder aus der Verstärkung eines MMC-Materials
und/oder gemeinsam mit einem Bauteil aus MMC-Material und/oder aus Metall, mit
dem zur Herstellung der Leiterbahnen gewünschten Metall umgossen wird und die
Leiterbahnen durch lokales Entfernen der oberflächlichen Metallschicht des Keramik
bauteils herausgearbeitet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen durch
photolithographische Verfahren, Ätzen, Wegbrennen oder Laserbehandlung herausge
arbeitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen
rillenförmiger Vertiefungen im Keramikbauteil die Metallfüllung in denselben durch
ein mit der Bauteiloberfläche fluchtendes Abarbeiten der oberflächlichen Metallschicht
freigelegt wird.
8. Schaltungsträger nach Anspruch 1 in Form eines Chip-Gehäuses, umfassend einen
Keramikbauteil, der eine elektrisch isolierende Auflage für den Chip bietet, wobei auf
der Oberfläche des Keramikbauteils metallische Leiterbahnen zur elektrischen Versor
gung des Chip und gegebenenfalls in dessen Innerem Metallbrücken zur Ableitung der
durch den Chip gebildeten Wärme vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der
Keramikbauteil (1) aus dichtgebrannter Keramik mit durchgehenden, insbesonders
röhrchenförmigen, metallgefüllten Kanälen (4) besteht, und daß die Leiterbahnen (2)
aus einer aufgegossenen Metallschicht bestehen.
9. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Keramikbauteil (1) an einer dem Chip (5) gegenüberliegenden Seite eine erste Aus
nehmung (6) aufweist, in welcher eine Einlage (7) aus Metall und/oder
Metall-Matrix-Compound-(MMC)-Material vorgesehen ist.
10. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
eine zweite Ausnehmung (15) vorgesehen ist, und daß darin der Chip (5) angeordnet
ist.
11. Schaltungsträger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er in der ersten
Ausnehmung (6) eine ringförmige Einlage (7) aus MMC-Material aufweist.
12. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die MMC-Einlage (7) und gegebenenfalls auch deren Metallhülle Kühlkanäle für ein
Kühlmittel aufweist.
13. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Keramikbauteil (1) mehrlagig aufgebaut ist, wobei die röhrchenförmigen Kanäle
(4) zum Teil in der Ebene des Keramikbauteils (1) und/oder wenigstens zum Teil senk
recht dazu angeordnet sind.
14. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Keramik des Keramikbauteils (1) eine Oxid-, Karbid- und/oder eine Nitrid-Kera
mik, z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid ist.
15. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Infiltrationsmetall aus Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Silizium, Kupfer, Mo
lybdän oder Legierungen derselben besteht.
16. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
der MMC-Werkstoff (7) als Verstärkermaterial eine Oxid-, Karbid- und/oder Nitrid-Ke
ramik, z. B. Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Borni
trid, oder Kohlenstoff enthält.
17. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der Keramikbauteil (1) eine Nut oder Stufe (8) aufweist, die durch das Umgießen mit
Metall gefüllt ist und zur Verbindung mit einem Deckel dient.
18. Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß ein dichtgebrannter Keramikbauteil, der Durchbrechun
gen oder z. B. röhrchenförmige Kanäle aufweist, wobei beim Umgießen diese gleich
zeitig mit Metall gefüllt und danach die erforderlichen Leiterbahnen durch lokales Ent
fernen der oberflächlichen Metallschicht herausgearbeitet werden.
19. Verfahrene nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen durch
photolithographische Verfahren, Ätzen, Wegbrennen oder Laserbehandlung herausge
arbeitet werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen ril
lenförmiger Vertiefungen im Keramikbauteil diese nach der Umgießung mit Metall
durch ein mit der Bauteiloberfläche fluchtendes Abarbeiten der oberflächlichen Metall
schicht freigelegt werden.
21. Verwendung eines Schaltungsträgers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Schutz
von Multi-Chip-Modulen.
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