DE19740330A1 - Trägerplatte für Mikrohybridschaltungen - Google Patents

Trägerplatte für Mikrohybridschaltungen

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DE19740330A1
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carrier plate
plate according
metal
layer
circuits
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DE19740330A
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English (en)
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Ulrich Dr Goebel
Elmar Dr Huber
Albert-Andreas Hoebel
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Trägerplatte für Mi­ krohybridschaltungen mit einem Keramikkörper.
Eine gattungsgemäße Trägerplatte ist in der Patent­ schrift US 5,576,934 offenbart. Sie besteht aus einer Keramikplatte, die auf ihrer Ober- und ihrer Unterseite mit einer Metallhaut aus Kupfer überzo­ gen ist. Die Keramikplatte ist mit Ausnehmungen versehen, die von der Kupferhaut überbrückt werden. Diese Ausnehmungen dienen dazu, auf der Unterseite der Mikrohybridschaltungen angeordnete Bauteile aufzunehmen. Bei der Montage von Mikrohybridschal­ tungen auf der Trägerplatte wird die Kupferhaut im Bereich der Ausnehmungen eingedrückt, so daß diese Bauteile, insbesondere Wärme produzierende inte­ grierte Schaltungen, in den Ausnehmungen aufgenom­ mem werden. Die thermische Anbindung der Bauteile an die Trägerplatte erfolgt über wärmeleitende Sub­ stanzen, insbesondere wärmeleitende Klebstoffe, die zwischen den Bauteilen und der Trägerplatte aufge­ bracht werden. Auf diese Weise kann die von den Bauteilen abgegebene Wärme direkt über die Träger­ platte abgeführt werden.
Der Aufbau von Mikrohybridschaltungen ist aber in­ dividuell verschieden. Daher kann man keine stan­ dardisierten Trägerplatten einsetzen, sondern muß sie einzeln mit den passenden Ausnehmungen verse­ hen. Die Herstellung derartiger Trägerplatten ist daher sehr aufwendig und folglich auch sehr teuer.
Ein generelles Problem ist ferner die thermische Anbindung der Mikrohybridschaltungen auf der Trä­ gerplatte. Dies liegt an den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die oben be­ schriebene Lösung mit wärmeleitenden Zwischen­ schichten erfordert zusätzliche Komponenten und verfahrensschritte. Sie ist daher ebenfalls um­ ständlich und teuer.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Trägerplatte, deren Keramik­ körper ein poröser Körper ist, dessen Hohlräume mit einer metallischen Substanz infiltriert sind, hat demgegenüber den Vorteil, daß eine sehr gute ther­ mische Anbindung von Bauteilen bzw. der Substrato­ berfläche einer Mikrohybridschaltung möglich ist. Die Trägerplatte zeichnet sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen niedrigen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Aufgrund des relativ kleinen Unterschiedes zwischen den thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten von Mikrohybrid­ schaltung bzw. Trägerplatte können beide mit einer sehr dünnen Klebeschicht und ohne große Verspannun­ gen miteinander verbunden werden. Es ist nicht mehr notwendig, spezielle wärmeleitende Substanzen ein­ zusetzen.
Derartige Trägerplatten sind durch einen Infiltra­ tionsprozeß erhältlich, bei dem die Hohlräume mit dem Metall ausgefüllt werden. Dieser Materialtyp ist unter der Bezeichnung "Metal Matrix Composite" (im folgenden: MMC) bekannt.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der in Anspruch 1 angegebenen Trägerplatte möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, die Trägerplatte mit einer zusätzlichen Metallhaut zu überziehen, welche insbesondere mit layout-spezifischen Vertiefungen versehen werden kann. Damit erhält man layout-spe­ zifisch strukturierte Oberflächen unter Verwendung eines standardisierten Keramikkörpers. Die Herstel­ lung derartiger layout-spezifischer Trägerplatten ist daher einfach und kostengünstig.
Ein bevorzugtes Material ist Al-Si-Cermet. Es be­ steht aus einer porösen SiC-Keramik, dessen Hohl­ räume mit Aluminium ausgefüllt sind. Eine daraus bestehende Trägerplatte kann dann mit einer Metall­ haut aus Aluminium überzogen sein. Da Aluminium ein leicht bearbeitbares Metall ist, können die layout- spezifischen Strukturen sowohl durch mechanische Bearbeitung der Aluminiumschicht als auch durch Einsätze im Infiltrations- oder Gießwerkzeug einge­ bracht werden. Damit können Änderungen der Oberflä­ chenstrukturen schnell realisiert werden. Auch da­ durch gestaltet sich das Herstellungsverfahren ein­ fach und kostengünstig.
Derartige Trägerplatten können z. B. aber auch lokal in größere Aluminium-Gußteile eingebracht werden. Auf diese Weise kann man eine Verbindung der bzgl. des thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepaßten Trägerplatte mit einem Gußgehäuse für Mikrohybrid­ steuergeräte realisieren. Damit reduziert sich die Anzahl der Montageschritte. Ferner kann Keramikma­ terial eingespart werden. Die Schlagzähigkeit der MMCs wird erhöht. Schließlich ist eine freie Form­ teilgestaltung analog zu reinen Gußteilen möglich.
Eine derartige Einbettung in Gußteile ist nicht nur bei Al-Si-Cermets möglich, sondern mit allen Metal­ len, mit denen die MMCs hergestellt werden können.
Ferner können zusätzliche isolierende Schichten und/oder metallische Schichten auf die Trägerplatte aufgebracht werden. In Verbindung mit zusätzlichen isolationsschichten ist eine Isolation der Mikrohy­ bridschaltung gegenüber der Trägerplatte mit hoher Spannungsfestigkeit möglich. Damit wird die ESD-Fe­ stigkeit erhöht. Derartige Bauteile können für Hochspannungsanwendungen eingesetzt werden.
Zusätzliche Metallschichten bieten die Möglichkeit, eine zusätzliche Abschirmlage (z. B. Elektronik­ masse) unabhängig vom Potential der Trägerplatte einzubringen.
Die Metallhaut kann ferner strukturiert sein, so daß die Trägerplatte zusätzlich als Verdrahtungse­ bene genutzt werden kann. Auch diese Maßnahme spart Herstellungskosten.
Die erfindungsgemäße Trägerplatte erlaubt also auf einfache, kostengünstige Weise eine Vielzahl von Variationen für Mikrohybridschaltungen, je nach konkreter Anwendung.
Zeichnung
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung ei­ nes ersten Ausführungsbeispiels einer er­ findungsgemäßen Trägerplatte mit darauf befestigter Mikrohybridschaltung;
Fig. 2 eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels analog zu Fig. 1;
Fig. 3 eine Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels analog zu Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungs­ gemäße Einheit 1 mit einer erfindungsgemäßen Trä­ gerplatte 2 in Form eines MMC-Kühlkörpers und einem elektronischen Bauteil 6.
Die Trägerplatte 2 besteht aus einem Keramikkörper 3 aus Al-Si-Cermet. Dabei handelt es sich um eine poröse SiC-Keramik, deren Hohlräume mit Aluminium infiltriert sind. Der Herstellungsprozeß ist an sich bekannt; diese Materialien können z. B. von den Firmen Alcoa oder Lanxide bezogen werden. Der Kera­ mikkörper 3 ist je nach Anwendung etwa 0,3 bis 2 mm dick.
Der Keramikkörper 3 ist an seiner Oberseite 3' und an seiner Unterseite 3'' von einer Metallhaut 4 aus Aluminium überzogen. Die Schichtdicke der Metall­ haut 4 beträgt etwa 0,6 mm.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Bauteil 6 besteht aus einer Mehrschicht-Mikrohybridschaltung 7 und zwei integrierten Schaltkreisen 9 und 11. Derartige Mikrohybridschaltungen 7 bestehen im all­ gemeinen aus einem keramischen Material und können verschiedene Komponenten (wie z. B. Widerstände oder Transistoren) aufweisen, die in die einzelnen Schichten integriert sind. Sie sind mittels Drähten 8, z. B. Al-Drahtbonden, mit hier nicht dargestell­ ten externen Anschlüssen oder mit leitenden Struk­ turen auf der Metallhaut 4 der Trägerplatte 2 ver­ bunden.
Die Mikrohybridschaltung 7 ist im Ausführungsbei­ spiel mit zwei integrierten Schaltkreisen 9 und 11, z. B. Flip-Chip-IC's ausgestattet. Der Schalt­ kreis 9 ist auf der Oberseite 7' der Mikrohybrid­ schaltung 7 angeordnet und über Drähte 10 mit lei­ tenden Strukturen auf Oberseite 7' der Mikrohybrid­ schaltung verbunden. Der Schaltkreis 11 befindet sich auf der Unterseite 7'' der Mikrohybridschal­ tung 7.
Die Metallhaut 4 weist eine Vertiefung 5 auf, die den integrierten Schaltkreis 11 auf der Unterseite 7'' der Mikrohybridschaltung 7 aufnimmt. Die Schichtdicke der Metallhaut 4 beträgt an dieser Stelle nur noch 0,1 bis 0,2 mm. Die Vertiefung 5 ist layout-spezifisch, d. h. sowohl hinsichtlich ih­ rer Größe als auch hinsichtlich ihrer Position in der Metallhaut 4 individuell auf Größe und Position des Schaltkreises 11 auf der Unterseite 7'' der Mi­ krohybridschaltung 7 abgestimmt. Die Vertiefung 5 kann durch mehrere Methoden eingebracht werden. Bei Kleinserien bietet sich eine mechanische Bearbei­ tung, z. B. Fräsen an. Insbesondere Aluminium kann sehr leicht mechanisch bearbeitet werden. Damit kann die Vertiefung 5 auch schnell an Änderungen im Layout der Mikrohybridschaltung 4 angepaßt werden. Eine andere Möglichkeit, die insbesondere bei Groß­ serien vorteilhaft ist, besteht darin, die Vertie­ fung 5 während der Herstellung der Trägerplatte 2 anzubringen, z. B. mit Einsätzen im Infiltrations- bzw. Gießwerkzeug.
Die erfindungsgemäße Trägerplatte 2 zeichnet sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus, der demjenigen der Mikrohybridschaltung vergleich­ bar ist. Daher genügt es, die Mikrohybridschaltung 7 ohne Vorspannung lediglich mit einer dünnen Schicht aus einem Leitkleber 12 auf der Träger­ platte 2 zu fixieren. In der resultierenden Einheit 1 treten, bedingt durch die vergleichbaren thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten, keine nennenswerten Spannungen auf, die die Festigkeit der Verbindung zwischen Mikrohybridschaltung 7 und Trägerplatte 2 in relevantem Ausmaß beeinträchtigen könnten.
Durch die dünne Schicht des Leitklebers 12 kann auch die von den Schaltkreisen 9, 11 produzierte Wärme direkt an die erfindungsgemäße Trägerplatte 2 abgegeben werden, ohne daß es der Zwischenschaltung einer Schicht aus einer speziellen wärmeleitenden Substanz bedürfte. Da die erfindungsgemäße Träger­ platte 2 selbst gut wärmeleitend ist, wird die Wärme auch schnell und problemlos nach außen abge­ führt.
Bei der Montage der Mikrohybridschaltung 7 auf der Trägerplatte 2 wird auch der Schaltkreis 11 in der Vertiefung 5 mit Leitkleber 12 fixiert.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Trägerplatte 2' in im wesentlichen derselben Anord­ nung wie Fig. 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß auf der Metallhaut 4 der Trägerplatte 2' eine isolierende Schicht 13, z. B. aus einem kerami­ schen Material oder einem Kunststoff vorgesehen ist. Der Mikrohybridschaltkreis 7 ist auf dieser Schicht 13 befestigt. Derartige Anordnungen erhöhen die ESD-Festigkeit und sind für Hochspannungsanwen­ dungen geeignet.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Trägerplatte 2'', bei der auf der Metallhaut 4 eine weitere metallische Schicht 14 aufgebracht ist. Die Schicht 14 befindet sich auf einem anderen elektrischen Potential als die Trägerplatte 2. Derartige Schichten 14 bieten eine zusätzliche Abschirmlage unabhängig vom Potential der Trägerplatte 2 in Fig. 1.

Claims (10)

1. Trägerplatte (2) für Mikrohybridschaltungen (7) mit einem Keramikkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (3) ein poröser Körper ist, dessen Hohlräume mit einer metallischen Substanz infiltriert sind.
2. Trägerplatte nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Keramikkörper (3) zusätzlich mit einer Metallhaut (4) überzogen ist.
3. Trägerplatte nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schichtdicke der Metallhaut (4) etwa 0,4 bis 0,8 mm, vorzugsweise etwa 0,6 mm be­ trägt.
4. Trägerplatte nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallhaut (4) einen oder mehrere Bereiche mit reduzierter Schichtdicke auf­ weist, die layout-spezifische Vertiefungen (5) zur Aufnahme von Bauteilen (11) der Mikrohybridschal­ tungen (7) bilden.
5. Trägerplatte nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schichtdicke der Bereiche etwa 0,1 bis 0,2 mm beträgt.
6. Trägerplatte nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Metall Aluminium ist.
7. Trägerplatte nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie lokal in bestimmten Bereichen ei­ nes Aluminium-Gußteiles eingebracht ist.
8. Trägerplatte nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine zusätzliche isolierende Schicht (13) und/oder mindestens eine zusätzliche Metallschicht (14) auf­ weist.
9. Trägerplatte nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zusätzliche Metallschicht (14) sich auf einem gegenüber den restlichen Schichten unterschiedlichen elektrischen Potential befindet.
10. Trägerplatte nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Me­ tallschicht (4, 14) für Verdrahtungszwecke struktu­ riert ist.
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