DE2330732A1 - Schaltungskarte fuer integrierte schaltungen - Google Patents

Schaltungskarte fuer integrierte schaltungen

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Description

Böblingen, 14. Juni 1973 heb-oh
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: EiSi 972 023
Schaltungskarte für integrierte Schaltungen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungskarte für integrierte Schaltungen. Bisher hat man halbleiterschaltungen, wie z.B. Plättchen mit integrierten Schaltungen, über Lötverbindungen auf aus anorganischem Material bestehenden Substraten angebracht, die wiederum mit Hilfe von Stiften in aus organischem Material bestehende Schaltungskarten eingesetzt waren, die gedruckte Leitungszüge und durchmetallisierte Bohrungen aufwiesen. Aus organischem Material bestehende Schaltungökarten sind oft in Wirklichkeit aus anorganischen Fasern aufgebaut, die mit einem organischen polymeren Harz getränkt sind. Diese Art Aufbau von Schaltung skarten war nötig, da ein Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem anorganischen Halbleiterplättchen und aer aus organischem Material bestehenden Schaltungskarte besteht. Obgleich man halbflexible Lötstützpunkte zum Abstützen des Schaltungsplättchens oberhalb der Oberfläche der Schaltungskarte benutzt hat, so haben doch die hohen Temperaturschwankungen des gesamten Aufbaus vorzeitige ,Ermüdungserscheinungen der Lötstützpunkte und deren Abbrechen und somit eine geringe Zuverlässigkeit des Erzeugnisses zur Folge gehabt. Die Verwendung einer Zwischenschicht aus anorganischem Material, wie z.B. aus Aluminiumoxyd oder aus keramischem Material, ließ die Verwendung stärkerer Stützstifte zu, um die Abmessungsunterschiede bei hohen Tempera-
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turunterschieden auszugleichen. Eine dazwischenliegende stabile, keramische Schicht verteuert jedoch die Schaltungskarte beträchtlich und verringert außerdem die sonst mögliche Packungsdichte.
Die Verwendung anorganischer Substrate, wie z.B. keramischer Substrate, als Träger für integrierte Schaltungsplättchen, hat verschiedene Vorteile. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von keramischem Material ist dem heute allgemein verwendeter Halbleitermaterialien ziemlich ähnlich, so daß sich während Ausdehnung und Zusammenziehung in den Lötverbindungen nur geringe Spannungen einstellen. Anorganische Materialien sind im allgemeinen gute Wärmeleiter, sb daß die beim Betrieb der integrierten Schaltung entstehende Wärme leicht und rasch abgeführt oder abgeleitet werden kann. Ein weiterer Vorteil der anorganischen Materialien liegt darin, daß diese relativ hohe Temperaturen aushalten können, so daß das Verlöten zur Befestigung der Halbleiterplättchen an den keramischen Substraten leicht durchgeführt werden kann. Solche keramischen Plättchen dienen außerdem als Basis für die Bildung von gut haftenden, gedruckten Schaltungen, die entweder durch additive oder subtraktive Verfahren erzeugt werden, und weist zudem noch eine entsprechend hohe Dielektrizitätskonstante auf.
Trotzdem ist es ziemlich kostspielig, keramisches Material als Zwischenschicht einer Schaltung zwischem dem Halbleiterplättchen und der aus organischem Material bestehenden Schaltungskarte anzubringen, da dies zusätzliche Schritte bei der Herstellung nötig machen würde. Außerdem wird auch durch die erhöhte Anzahl der Verfahrensschritte bei der Herstellung die Zuverlässigkeit verringert und die Leitungslängen werden vergrößert, wodurch sich auch die Übertragungszeit erhöht.
Aus organischem Material bestehende Schaltungskarten, die gewöhnlich aus Glasfasergewebe hergestellt werden, das mit einem Epoxydharz getränkt ist, haben als Schaltungssubstrate einige wünschenswerte Eigenschaften. Zunächst lasserr sie sich einfach
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maschinell bearbeiten, z.B. bohren, während keramische Materialien nach dem Brennen schwer zu bearbeiten sind und nur unter hohen Kosten gebohrt werden können. Eine aus organischem Material bestehende Schaltungskarte hat immer noch eine gewisse Flexibilität, die zum Dämpfen von Schwingungen erwünscht ist und es lassen sich relativ große Karten herstellen, ohne daß man ein Auseinanderbrechen zu befürchten braucht, wie dies bei keramischen Substraten der Fall ist.
Man hat also erkannt, daß es erwünscht ist, diese keramische Zwischenschicht zu eliminieren. Als weiterer Lösungsvorschlag hat man Schaltungsplättchen in einer Schicht eines biegsamen Harzes an Ort und Stelle eingegossen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß der Ersatz eines Halbleiterplättchens bei einem Ausfallen der Schaltung nicht möglich ist. Obgleich das Plättchen zwar entfernt werden kann, kann es jedoch nicht zuverlässig ersetzt werden, ohne daß Schäden an den gedruckten Leitungen auftreten können, die sowohl auf dem Harz, als auch auf dem eigentlichen Schaltungsplättchen gebildet: sind, und die die notwendigen Verbindungen herstellen. Eine weitere Möglichkeit wurde darin gesehen, in dem harzartigen Substrat Öffnungen vorzusehen und die Schaltungsplättchen mit einem aushärtbaren Harz oder aushärtbaren Polymeren in diesen Öffnungen einzukleben. Auch diese Lösungsmöglichkeit beschränkt das Auswechseln fehlerhafter Schaltungsplättchen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Substrat für elektrische Leitungen und Schaltungen zu schaffen, das aus diskreten Teilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Insbesondere soll durch die Erfindung ein elektrisch isolierendes Substrat mit diskreten Teilen geschaffen werden, deren Wärmeausdehnungskoeffizient dem der darauf befindlichen elektrischen Bauelemente weitestgehend angepaßt ist, während andere Bereiche des Substrates unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen können. Insbesondere soll durch die Erfindung ein im allgemeinen homogenes erstes Substrat aus organischem Material und anorganischen Materialien geschaffen werden, in dem Inseln
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oder Bereiche eines zweiten anorganischen Substratmaterials in dem ersten Material eingebettet sind.
Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung ein Substratmaterial an bestimmten diskreten Bereichen innerhalb eines Substratmaterials eingefügt. Dabei wird das eine Material so gewählt, daß seine Ausdehnungscharakteristik ähnlich der des darauf befestigten elektrischen Bauelements ist, so daß die Relativbewegung zwischen den beiden Elementen zu einem Minimum gemacht wird. Das Substratmaterial wird jedoch so gewählt, daß es leicht herzustellen und zu bearbeiten ist. Es kann dann für solche Schaltungselemente, wie elektrische Leitungen, verwendet werden, bei denen der Ausdehnungskoeffizient des Substratmaterials nicht kritisch ist. Das sich dabei ergebende zusammengesetzte Substrat besteht dabei aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird als Träger für temperaturstabilere, anorganische oder keramische Materialien ein übliches harzartiges Substrat benutzt, in dem zur Verstärkung anorganische Fasern eingebettet sind. Wählt man das keramische Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten aus, der dem des aarauf befestigten Halbleitermaterials ähnlich ist, so werden die Ermüaungsbrüche oder Ausfälle in den Lötverbindungen sehr stark vermindert, wenn nicht vollständig beseitigt.
Elektrische Leitungen können auf beiden Substratmaterialien verlegt werden, da sie normalerweise den Unterschied in der Wärmeausdehnung aushalten können. Die hier offenbarte Konstruktion gestattet die Herstellung der eigentlichen Schaltungen sowohl durch subtraktive (Ätz-) Verfahren oder additive Verfahren (durch Metallniederschlag) ohne teures Abweichen von den üblichen Verfahrensschritten.
In einer zweiten Ausführungsform wird ein stabileres Substratmaterial vollständig in einem weniger stabilen Material eingebettet. Wegen dem Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten
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und Eigenschaften vermittelt das erstgenannte Material der benachbarten Oberfläche des weniger stabilen Materials einen hohen Grad von Stabilität. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß alle Verfahrensschritte zum Aufbringen von Leitungszügen auf der Oberfläche des Substrats in üblicher Weise durchgeführt werden können. Das Trägersubstrat kann außerdem aus mehreren Schichten aufgebaut sein und im Innern leitende Ebenen enthalten. Das stabilere, anorganische Substratmaterial ist gewöhnlich ein besserer Wärmeleiter und man hat daher die Möglichkeit, an solchen diskreten Substraten für eine wirksame Kühlung der aktiven elektrischen Bauelemente Wärmesenken, d.h. Kühlschellen, anzubringen.
Die Ausführungsformen der Erfindung eignen sich ohne weiteres für die bekannten Fertigungs-Verfahrensschritte. In den bevorzugten Ausführungsformen wird ein übliches Glasfaservlies mit einem Epoxydharz getränkt und, wie bei dem üblichen herstellungsverfahren, einer Vorhärtung unterzogen und dann durch Stanzen oder Bohren entsprechend den anorganischen Substratplättchen, die eingesetzt werden sollen, bearbeitet. Eine ausreichend große Anzahl harzgetränkter Glasfaservliese werden mit ihren untereinander ausgerichteten Bohrungen aufeinandergeschichtet, bis die erwünschte Dicke erreicht ist und dann wird das anorganische zweite Substrat in der Bohrung angebracht und der gesamte Aufbau unter Wärme und Druck zu einem Laminat verbunden. Dann werden die aufeinandergestapelten Schichten auf die gewünschte Stärke zusammengedrückt und das polymere Harz wird vollständig ausgehärtet. Dabei ergibt sich ein zusammengesetztes elektrisches Substrat. Da aas eingesetzte zweite Substrat aus keramischem Material besteht, werden die umgebenden Schichten nur etwa bis zur Höhe der Stärke des keramischen Substrats zusammengepreßt. Man kann andererseits auch ausgestanzte Schmierbogen zwischen den Platten der Presse verwenden, um damit den Druck von den spröderen Substraten fernzuhalten. Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher beschrieben.
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Dabei zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Substrats
für gedruckte Schaltungen und Bauelemente gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2
in Figur 1;
Fig. 3, 4 u. 5 Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen
der Erfindung und
Fig. 6, 7 und 8 schematisch Querschnittsansichten einzelner
Stufen anderer Konstruktions- oder Fertigungsverfahren zum Herstellen eines Substrats gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist eine zusammengesetzte, elektrisch isolierende Substratplatte gemäß der Erfindung dargestellt, die aus einem ersten organisch-anorganischem Substrat 10 besteht, das eine Anzahl anorganischer Einsatzsubstrate 11 enthält, die in das erste Substrat 10 eingebettet sind. Diese zweiten oder Einsatzsubstrate 11 sind hier zylindrisch ausgestaltet und so groß, daß ein einziges Halbleiterbauelement oder ein Schaltungsplättchen darauf angebracht werden kann. Selbstverständlich können diese Einsatzsubstrate verschiedene Formen oder Größen aufweisen. Leitungszüge 13 sind sowohl auf dem ersten Substrat, als auch auf den Einsatzsubstraten gebildet. Die Leitungszüge 13 enden auf kleinen Stützpunkten 14 auf den Einsatzsubstraten und außerdem auf Stützpunkten 15 mit Bohrungen 16, obgleich die Leitungen 13 unmittelbar mit anderen Halbleiterplättchen auf anderen Einsatzsubstraten verbunden sein können. In die Bohrungen 16 können zum Herstellen von Verbindungen mit anderen Leitungen Stifte 17 eingesetzt sein. Die Leitungszüge 13 dienen daher der Verbindung zwischen Schaltungsplättchen und elektrischen Leitungen auf den gleichen oder anderen Substraten.
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In der Schnittansicht gemäß Figur 2 ist die Stärke des anorganischen Substrats 11 gleich groß wie die Stärke des ersten Substrats 10, so daß die jeweils außenliegenden Oberflächen zueinander koplanar sind. Selbstverständlich lassen sich Leiterzüge 13 auf der Ober- wie auf der Unterfläche beider Substrate anbringen und können mit den Lötstützpunkten um die Bohrung 16 herum verbunden sein. Das Schaltungsplättchen 12 steht auf einer Anzahl von LÖtfüßen, die die Unterfläche des Halbleiterplättchens oberhalb der Leiterzüge tragen und sowohl der elektrischen Verbindung als auch der mechanischen Stütze zwischen Halbleiterplättchen und ausgewählten Leitungszügen 13 dient.
Die Verwendung von Lotfüßen 18 ergibt eine etwas biegsamere Stütze, da diese Lötfüße bei einer Relativbewegung zwischen Halbleiterplättchen und Substrat nachgeben können. Die Lötfüßte werden dadurch gebildet, daß man das Halbleiterplättchen mit vorgeformten Lötstützpunkten an seiner Unterseite in Berührung mit ausgerichteten Zinnbleikügelchen auf den Lötstützpunkten 14 auf dem Substrat bringt und örtlich so weit erwärmt, daß das Lötmittel fließt, wodurch die Verbindung hergestellt wird. Gerade diese Lötverbindungen 18 sind es, bei denen Materialermüdungserscheinungen auftreten, wenn das Halbleiterplättchen 12 unmittelbar an dem Substratmaterial 10 befestigt ist, das beispielsweise aus einem mit Phenolharz oder Epoxydharz getränkten Glasfaservlies bestehen kann. Der Unterschied in der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung zwischen dem Halbleiterplättchen 12 und dem ersten Substra,t 10 erzeugt Spannungen in den Lötverbindungen 18. Nach mehreren Aufheiz- und Abkühlzyklen reißen einige der Lötverbindungen ab und bewirken damit eine Stromkreisunterbrechung. Benutzt man ein elektrisch nichtleitendes Einsatzsubstrat 11 als Substrat für den Halbleiter, hat man eine größere Materialauswahl und kann ein Material wählen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Halbleiterplättchens 12 ähnlich ist. Durch geeignete Auswahl lassen sich die auf die Lötfüße 18 einwirkenden Spannungen weitgehend verringern, wenn nicht sogar beseitigen, so daß die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Produkts verbessert wird.
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Obgleich Aluminiumoxyd als Verbindung für das Einsatzsubstrat 11 bevorzugt wird, lassen sich auch andere keramische Materialien, wie Glas oder Kieselerde, manchmal sogar Metalle, wie das unter dem Handelsnamen Kovar bekannte Metall oder auch Titan verwenden. Bei metallischen Einsatzsubstraten muß selbstverständlich eine Isolierschicht aus einem Kunstharz oder einem anderen geeigneten Material zwischen den Leitungszügen 13 und der Oberfläche 19 des Einsatzsubstrats vorgesehen sein. Das organische Material des ersten Substrats 10 wird unter ausreichend hohem Druck und ausreichend hoher Temperatur ausgehärtet, so daß bei Durchlaufen eines Temperaturzyklus sich die Verbindung zwischen Einsatzsubstrat und erstem Substrat nicht löst. Die dem Einsatzsubstrat eigene Porosität und Rauhigkeit helfen außerdem noch mit, eine zuverlässige Verbindung zwischen erstem Substrat und Einsatzsubstrat aufrechtzuerhalten. Das Einsatzsubstrat kann außerdem durch chemische Ätzverfahren aufgerauht werden. Der Schrumpfungsprozeß des Kunstharzes aus seiner Aushärtetemperatur erzeugt außerdem eine auf das Einsatzsubstrat einwirkende Druckkraft.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich leicht in Verbindung mit dem ersten Substrat 10 aufbauen läßt. Hier ist eine elektrisch leitende Zwischenschicht 20 dargestellt, die mit der durchgehend metallisierten Bohrung 16 verbunden ist. Selbstverständlich können verschiedene solche Zwischenschichten im Körper des ersten Substrats durch Laminatbilüung der vorgefertigten Ebenen während des herstellens des Gesamtsubstrats gebildet werden.
Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der in Figur 1 gezeigten Konstruktion. Bei dieser Ausführungsform liegt das Einsatzsubstrat 11 vollständig innerhalb des ersten Substrats 10. Ein dünner Überzug aus organischem Isoliermaterial oder eine Kunstharzschicht 21 derselben Zusammensetzung wie das erste Substrat 10 liegt über den beiden Oberflächen 22 und 23 des Einsatzsubstrats. Dieser Aufbau wird lediglich dadurch erreicht, daß man eine zweite Schicht eines teilausgehärteten Epoxydharz auf einer oder beiden
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Oberflächen des Einsatzsubstrats während des Aufbaus des ersten Substrats 10 anbringt. Ein solcher Aufbau hat den Vorteil, daß für die Schaltverbindungen eine Oberfläche geschaffen ist, die aus dem gleichen Material besteht wie das erste Substrat, so daß aie Verfahrensschritte zur Bildung der Schaltverbindungen und Leitungen axe gleichen sind wie bei einer gedruckten Schaltungskarte, die aus einem mit Epoxydharz imprägnierten Glasfaservlies besteht. Obgleich eine Isolationsschicht mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten das Stützmaterial für die Lötstützpunkte 14, das Halbleiterplättchen 12, und die Leitungszüge 13 ist, wirkt aoch die Stabilität des Einsatzsubstrats ausgesprochen stabilisierend und verhindert eine wesentliche Ausdehnung oder JdusamraenZiehung bei Temperaturwechsel. Diese Wirksamkeit wird natürlich mit zunehmender Stärke des Überzugs verringert. Die Lötstützpunkte 18 sind jedoch jederzeit in der Lage, eine Relativbewegung mitzumachen, so daß auch diese Ausführungsform einen hohen Grad von Zuverlässigkeit erreicht.
In Figur 5 wird im Einsatzsubstrat 11 zunächst während der Herstellung eine Bohrung 25 angebracht. Nach Befestigung des Einsatzsubstrats im ersten Substrat 10 wird die Bohrung 25 mit einem guten Wärmeleiter 26, wie z.B. Lötzinn, ausgefüllt. Dieses Material dient als Wärmeableitung für das Modul 12 nach einer entsprechenden Wärmesenke an der unteren Oberfläche des Substrats und des ersten Substrats. Die Wärmesenke kann aus einem fächerförmig ausgestalteten Teil 27 bestehen, das eine große Oberfläche für ausreichende Kühlung darbietet. Das Lötzinn 26 gestattet das leichte Befestigen von Halbleiterplättchen 12 und Wärmesenke 27. Figur 5 zeigt außerdem die Einkapselung des Halbleiterplättchens in einem Gießharz oder einem Vergießmaterial mit einer zum Schutz darübergelegten Metallkappe. Beispielsweise kann eine einzige Metallkappe vorgesehen sein, die über das gesamte zusammengesetzte Substrat reicht oder es können für jedes Halbleiterplättchen einzelne Metallkappen vorgesehen sein. Ein Beispiel für ein geeignetes Vergießmaterial ist Silicongummi.
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Das gemischte Substrat gemäß der Erfindung eignet sich vorzüglich für übliche Herstellungsverfahren. Das bevorzugte Verfahren besteht in der Verwendung einer Anzahl von Tafeln von teilausgehärtetem polymerem Harz, in denen ein Fasermaterial eingebettet ist. Das Kunstharz kann entweder ein Epoxydharz oder ein Phenolharz sein und wird in üblicher Weise mit einem Fasermaterial, wie z.B. Glasfaservlies, synthetischen Fasern aus Polyestermaterial oder anderen Verstärkungsmaterialien verwendet werden. Aus Figur 6 erkennt man, daß eine Anzahl solcher teilausgehärteter Tafeln oder Blätter 30 zur Bildung einer Bohrung 31 ausgestanzt oder gebohrt sind, die der Aufnahme eines Einsatzsubstrats 11 dient. Die einzelnen Blätter werden auf eine geeignete Stützplatte 32 so aufgelegt, daß ihre Bohrungen 31 ausgerichtet sind. Die vorgeformten Einsatzsubstrate 11 werden dann in die gewünschten Bohrungen oder öffnungen eingelegt.
Das Einsatzsubstrat weist eine Stärke auf, die der endgültigen Stärke des Gesamtsubstrats entspricht, während der Stapel der teilausgehärteten Blätter sich um den Betrag über den Substrateinsatz hinaus erstreckt, um den das Substrat zusammengepreßt werden kann. Wie aus Figur 6 zu sehen, sind vier Schichten teilausgehärteten Materials übereinandergelegt und ihre Gesamtdicke ist etwa 50% größer als die Stärke des Einsatzsubstrats. Anschließend wird der Gesamtverbund aus Tafeln 30 und Einsatzsubstrat 11 in eine Presse eingelegt und durch einen Preßstempel 33 unter Anwendung von Wärme zur Bildung des zusammengesetzten Substrats zusammengepreßt. Die Einsatzsubstrate können eine relativ hohe Öruckbelastung aufnehmen, so daß die kunstharzimprägnierten Platten 30 leicht auf die Stärke des Einsatzsubstrats zusammengepreßt werden können. Druck- und Wärmeeinwirkung werden so lange aufrechterhalten, bis aas Kunstharz vollkommen ausgehärtet ist, woraus sich eine einheitliche Schaltungsgrundplatte ergibt.
Figur 7 zeigt ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Substrats unter Verwendung einer Anzahl von
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Schmierbogen 35 mit Bohrungen oder Öffnungen 36, die der Form aes Linsatzsubstrats 11 entsprechen. Die Schmierbogen 35 werden benutzt, um den Stapel der teilausgehärteten Platten 30 dick genug zu machen, wodurch verhindert wird, daß.Druck auf die Oberseite des Einsatzsubstrats ausgeübt wird, falls dieses Einsatzsubstrat die bei dem Herstellen des Laminats auftretenden Druckkräfte nicht auszuhalten in der Lage ist. Nach dem Pressen und Aushärten können dann diese Schmierblätter entfernt werden.
Figur 8 zeigt endlich noch ein Verfahren zur Herstellung des in Figur 4 gezeigten Substrats. Ein nicht vorgebohrtes Blatt 40 aus teilausgehärtetem Kunstharz wird zwischen dem Preßstempel einerseits und dem Pressentisch andererseits und dem Stapel aus nichtausgehärteten oder teilausgehärteten Kunststofftafeln oder Platten eingelegt, welche bereits mit Bohrungen versehen sind. Bei dieser Art Schichtung ergibt sich auf den beiden zur Aufnahme von Schaltungszügen oder Leiterzügen vorgesehenen Oberflächen ein aünner Kunstharzüberzug.
Die Einsatzsubstrate 11 werden vorzugsweise aus Aluminium-Oxydpulver in einem harzartigen Bindemittel hergestellt und in geeigneter Form una Größe ausgestanzt. Diese Stanzteile werden dann in einem Ofen so weit ausgehärtet, daß das organische Bindemittel ausgetrieben wird, wodurch nur das anorganische Material für das Linsatzsubstrat übrigbleibt. Obgleich das keramische Material etwas schrumpft, bewirkt doch das Fließen des Harzes während des Preßvorganges und des Aushärtungsvorganges eine sichere Verbindung des Einsatzsubstrats im Gesamtsubstrat, so daß die Schrumpfung selbst kein Problem bildet. Wird als Einsatzsubstrat ein keramisches Material benutzt, ergibt sich wegen der rauhen Oberfläche ues anorganischen Materials eine zusätzliche vorteilhafte Haltewirkung des Einsatzsubstrats im Gesamtsubstrat. Die Einsatzsubstrate können auch durch maschinelle Bearbeitung aus geeigneten Materialien, wie Kovar oder Sintermetall, hergestellt werden. Form und Größe aer Einsatzsubstrate können nach Bedarf festgelegt weruen. Man kann beispielsweise verschiedene integrierte Schallt 972 U23 3 0 9 8 B 2 / 1 0 9 8
tungsplättchen auf einem größeren Einsatzsubstrat unterbringen und dadurch die Verbindungsleitungeh kurzhalten.
Auf den verschiedenen Ausführungsformen der Substrate lassen sich elektrische Leitungszüge entweder durch subtraktive (ätzen) oder additive (plattieren) Verfahren erzielen. Für die in Figur 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen würde man bei einem subtraktiven Verfahren eine elektroplattierte Metallschicht benutzen, die meist aus Kupfer besteht und sich über die gesamte Oberfläche aes zusammengesetzten Substrats erstreckt. Dies läßt sich in üblicher Weise dadurch erzielen, daß zunächst der organische Teil des zusammengesetzten Substrats entweder dadurch aufgerauht wird, aaß man Kieselerde in der obersten Kunstharzplatte einbettet, oder aber die Kunstharzschicht leicht mit Schwefelsäure anätzt. Das zusammengesetzte Substrat würde dann in ein zum Ätzen des Einsatzsubstrats 11 geeignetes Bad eingesetzt werden, falls dies erforderlich ist. Bei Verwendung von Aluminiumoxyd kann ein Bad aus geschmolzenem Natriumhydroxyd zum Aufrauhen benutzt werden. Anschließend werden die Bohrungen hergestellt und das zusammengesetzte Substrat wird in bekannte Aktivierungs- und Sensibilisierungsbäder eingelegt, wo sich dann eine dünne Kupferschicht über die gesamte Oberfläche niederschlägt, wenn diese in ein stromloses Plattierbad eingelegt wird. Dieser dünne Überzug aus Kupfer kann dann durch einen elektrolytisch abzuscheidenden stärkeren Kupferüberzug verstärkt werden. Mit einem ausreichend starken Kupferüberzug auf der Oberfläche können in üblicher Weise durch Aufbringen eines Photolacks und selektive Belichtung und anschließendem Abätzen der nicht belichteten und damit nicht geschützten Teile die Schaltungszüge, Lötstützpunkte und Bohrungen hergestellt werden.
Beim additiven Herstellungsverfahren können die Ausführungsformen gemäß Figur 1 und 2 den Verfahrensschritten Aufrauhen der Oberfläche, Aktivierung und Sensibilisierung der Oberfläche unterzogen werden, worauf die Oberfläche zu diesem Zeitpunkt mit einem Photolack überzogen wird, der selektiv belichtet und entwickelt
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wird, so daß in den Bereichen das sensibilisierte Substrat da freiliegt, wo die Leiterzüge und Lötstützpunkte und Bohrungen plattiert werden sollen. Das Substrat wird dann in ein autokatalytisches Plattierbad eingetaucht und so lange darin gelassen, bis die Kupferschicht die gewünschte Stärke erreicht hat. Der als Schutzschicht dienende Photolack wird dann entfernt.
Für die Ausführungsform gemäß Figur 4 mit innenliegendem Einsatzsubstrat wird ein subtraktives Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine dünne Kupferfolie auf den äußeren Oberflächen des zusammengesetzten Substrats zum Zeitpunkt der Laminierung der äußeren Kunstharzschichten über dem Einsatzsubstrat angebracht wird. Die durchgehenden Bohrungen werden dann an den gewünschten Stellen angebracht und das zusammengesetzte Substrat in ein Aktivierungsund Sensibilisierungsbad eingetaucht. Anschließend wird das Substrat in ein stromloses Verkupferungsbad zum Niederschlagen von Kupfer auf den Oberflächen der Bohrungen und auf der Kupferfolie oder anderen nichtgeschützten Oberflächen eingetaucht. Nach Metallisierung der Bohrungen wird ein Photolackfilm aufgelegt, selektiv belichtet und entwickelt, der dann eine Schutzschicht gegen das Abätzen bildet. Das Substrat wird anschließend in ein Ätzmittel eingetaucht, die nicht benötigten Kupferbereiche werden entfernt und es verbleiben die Leitungszüge, Lötstützpunkte und metallisierten Bohrungen unberührt.
Verwendet man ein additives Verfahren für die Ausführungsform gemäß Figur 4, wird die Harzoberfläche zunächst fein aufgerauht, wie bereits erwähnt, und gleichartige Verfahrensschritte zum Bohren der durchgehenden Bohrungen, Aktivierungen und Sensibilisieren der Oberflächen des Substrats und der Bohrungen das Aufbringen des die Ätzung verhindernden Photolacks in den gewünschten Bereichen durch selektive Belichtung und Entwicklung werden durchgeführt. Das zusammengesetzte Substrat wird dann in ein autokatalytisches Plattierbad eingesetzt und die Leiterzüge werden plattiert, während anschließend der restliche Photolack entfernt wird. Ein weiteres additives Verfahren besteht darin,
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den Katalysator, der das stromlose Plattieren einleitet, unmittelbar in den Substratmaterialien vorzusehen, so daß die Schritte der Aktivierung und Sensibilisierung nicht erforderlich sind.
Die Lötkügelchen auf den Lötstützpunkten 14 und 15 können entweder durch Elektroplattieren und geeignete Plattierschutzschichten oder durch anderweitiges Aufbringen des Lötmaterials gebildet werden. Das Aufbringen der Schaltungsplattchen auf dem zusammengesetzten Substrat erreicht man entweder durch einen heißen Gasstrom, oder ein elektrisches Widerstandselement, das örtlich an die einzelnen Schaltungsplattchen angelegt wird. Organische Materialien, wie Phenolharz oder Epoxydharz, können einen zum Fließen des Lötzinns dienenden Ofen nicht durchlaufen, da sie die dabei erforderlichen Temperaturen nicht auszuhalten vermögen. Vorrichtungen zum zeitweisen Abstützen von Schaltungsplattchen während des Fließens des Lötmaterials sind bekannt und stellen keinen Teil der Erfindung dar.
Es wurde zwar ein zusammengesetztes Substrat beschrieben, bei dem Leitungszüge auf beiden Hauptoberflächen des Substrats vorgesehen sind, falls dies erwünscht ist, und es können auch durchgehende Bohrungen oder leitende Zwischenschichten vorgesehen sein. Die Einsatzsubstrate 11 können natürlich größer oder kleiner gemacht werden, es können verschiedene durchgehende Bohrungen im Einsatzsubstrat vorgesehen sein, falls dies erforderlich ist. Die wesentliche Überlegung bei der Bestimmung der Größe des Einsatzsubstrats ist dabei das zum Fließen des Lötmittels und der Lötkügelchen zwischen Einsatzsubstrat und Schaltungsplattchen verwendete Verfahren. Da das Einsatzsubstrat höhere Temperaturen aushalten kann, kann es angebracht sein, die Abmessungen des Einsatzsubstrats zu vergrößern, um einen Schutzbereich zwischen den Kanten des Schaltungsplättchens und dem organischen Material des Substrats 10 vorzusehen.
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Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Schaltungskarte für elektrische Leitungen und Bauelemente, gekennzeichnet durch ein erstes, elektrisch isolierendes Substrat (10) mit einem ersten Wärme-Ausdehnungskoeffizienten, mindestens einem in dem ersten Substrat (10) eingebetteten zweiten Substrat (11) mit einem kleineren Wärme-Ausdehnungskoeffizienten und mindestens einem Leitungszug (13), der über seine Länge mit mindestens einem der Substrate (10, 11) verbunden ist und beide Substrate überdeckt.
  2. 2. Schaltungskarte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Substrat (10) ein organisches Isoliermaterial enthält, und daß das zweite Substrat aus anorganischem Isoliermaterial besteht, in dem ersten Substrat
    (10) eingebettet ist und mindestens eines der Bauelemente
    (12) aufnehmen kann.
  3. 3. Schaltungskarte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Substrat aus organischen und anorganischen Materialien besteht.
  4. 4. Schaltungskarte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme-Ausdehnungskoeffizient des auf dem zweiten Substrat angebrachten Bauelements etwa dem Wärme-Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Substrats (11) entspricht.
  5. 5. Schaltungskarte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (11) im ersten Substrat (10) so eingebettet ist, daß seine oben- und untenliegenden Flächen frei zugänglich sind, während die Seitenflächen vollständig vom Material des ersten Substrats umgeben sind.
    ^ 972 023 309882/1098
  6. 6. Schaltungskarte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet/ daß eine der beiden Oberflächen des zweiten Substrats mit einer Wärmesenke (27) verbunden ist.
  7. 7. Schaltungskarte nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Substrat (10) aus einem mit Wärme aushärtbaren Kunstharz und aus Glasfasermaterial besteht, und daß das zweite Substrat (11) aus keramischem Material besteht.
  8. 8. Schaltungskarte nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ersten Substrats (10) ein thermoplastisches Harz enthält.
  9. 9. Schaltungskarte nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Leiterzug bzw. eine Leiterebene im Innern der aus mehreren Schichten bestehenden Schaltungskarte angeordnet und mit mindestens einem Leiterzug auf mindestens einer Oberfläche verbunden ist.
    EN 972 023 3098 82/109 8
    Leerseite
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