DE3035749A1 - Waermeableitende leiterplatten - Google Patents

Waermeableitende leiterplatten

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DE3035749A1 DE19803035749 DE3035749A DE3035749A1 DE 3035749 A1 DE3035749 A1 DE 3035749A1 DE 19803035749 DE19803035749 DE 19803035749 DE 3035749 A DE3035749 A DE 3035749A DE 3035749 A1 DE3035749 A1 DE 3035749A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 80 P 7 5 6 6 DE
Wärmeableitende Leiterplatten
Die Erfindung betrifft wärmeableitende Leiterplatten mit einem Kern aus metallischen Werkstoffen und einer elektrisch isolierenden Beschichtung.
10
Die für die Halbleitertechnik und für die Elektronik bereitgestellten glasfaserverstärkten Epoxidharzleiterplatten, als auch Leiterplatten aus gut wärmeableitenden Metallen mit isolierenden Lack- bzw. Kunststoffschichten oder Aluminiumoxidkeramikleiterplatten genügen vielfach nicht mehr den an sie gestellten Anforderungen, insbesondere im Hinblick auf die mechanische Festigkeit, den Wärmeabfluß oder die Flammfestigkeit.
Die Kühlung bzw. Entwarnung ist nur unzureichend und aufwendig durch oberflächliche Zwangsbelüftung der mit zusätzlichen Kühlkörpern versehenen Elektronikbausteine auf glasfaserverstärkten Epoxidharzleiterplatten mittels Luftgebläsen bei lokal sehr unterschiedlich wirksamen Strömungsgeschwindigkeiten von maximal zunächst 3 m/s, später sogar 6 m/s möglich. Auch wassergekühlte Flachbaugruppen zur Abführung der JOULEschen Wärme (= Verlustleistung) , um die pro Einheit bis zu 2 W abgebenden Bauelemente unter 700C zu halten, befriedigen bezüglich Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit nicht, weil auch ein nur kurzzeitiger oder lokaler Ausfall des Kühlsystems die Funktionalität des elektronischen Systems zu irreversiblen Schäden oder gar zum Ausfall der Gesamtheit führen kann.
35
Die relativ teuren Aluminiumoxidkeramikplatten sind zwar
Td 2 Dm / 5.9.1980
VPA 80 P 7 5 6 6 DE
noch bis zu Leiterplattenformaten von etwa 25x50 mm als Leiterbahnsubstrate verwendbar, bei größeren Formaten ist aber ihr Einsatz insbesondere im Hinblick auf die zu geringe mechanische Festigkeit (Brüchigkeit) und mangelnde Planität sehr begrenzt. Ein Einsatz von größeren Leiterplatten aus Aluminiumoxidkeramik scheitert meist an den Kosten.
Versuche mit Platten mit und ohne Bohrungen aus gut wärmeleitenden Metallen überzogen mit isolierenden Lackbzw. Kunststoffschichten weisen auch zahlreiche Nachteile auf. So sind die Lackschichten vor allem an den Lochkanten zu dünn, kleine Löcher setzen sich mit Lack oder Kunststoff zu und es entstehen beim Kunststoff-Pulverbeschichten zu dicke Schichten, die sich bei den Löchern trichterförmig statt rechteckig einsenken. Wegen der besonders schlechten Wärmeleitfähigkeit von Isolierlacken und Kunststoffen wirken sich dickere Schichten für den lokalen Entwärmungsvorgang besonders nachteilig aus. Schließlich kommen noch die großen Haftfestigkeitsprobleme der Leiterbahn-Metallschichten auf den Lack- bzw. Kunststoffoberflächen hinzu.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Leiterplatten zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, und bei guter Wärmeableitung von den Bauelementen tiefere Betriebstemperaturen derselben und mithin höhere funktioneile Zuverlässigkeit und Lebensdauer sicherstellen, höhere mechanische Festigkeit und bessere PIanität, unbrennbar sind und dabei eine sichere Erdung und Abschirmung sowie eine gute elektromagnetische Verträglichkeit besitzen. Des weiteren sollen sie eine leichtere mechanische Herstellung mit einem besseren Korrosionsschutz der Oberflächenbeschichtung verbinden. 35
Diese Aufgabe wird nun durch wärmeableitende Leiterplatten gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, daß
-y~k VPA 80 P 75 6 6 DE
eine plane Kernplatte 2 von 1-5 mm Dicke eine 10-80 μια dicke Galvanoaluminiumeloxalschicht 3, gegebenenfalls mit einer leitfähigen Zwischenschicht 5 zwischen Kernplatte 2 und Galvanoaluminiumeloxalschicht 3 aufweist. Auf dieser Galvanoaluminiumeloxalschicht 3 kann der Leiterbahnaufbau sowohl in Additiv- oder Substraktivtechnik als auch mit dünnen Isolier- bzw. Klebelack- und Dickfilmtechnik vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäßen Leiterplatten sind gut wärmeleitend und ermöglichen dadurch eine rasche Abführung der durch Verlustleistung entstehenden JOULEschen Wärme der elektronischen Bausteine. Durch die raschere Entwärmung arbeiten die elektrischen und elektronischen Bauteile, die in der Halbleitertechnik und in der Industrieelektronik Verwendung finden, bei tieferen Betriebstemperaturen, was nicht nur ihre funktioneile Zuverlässigkeit, sondern auch ihre Lebensdauer erhöht. Durch den elektrisch leitenden Kern ermöglichen sie auch eine sichere Erdung und Abschirmung, welche unter Nutzung des unmagnetischen Verhaltens der Galvanoaluminiumeloxal-Beschichtung zu einer sehr guten elektromagnetischen Verträglichkeit (=» EMV-Verhalten) führen. Sie weisen eine höhere mechanische Festigkeit verbunden mit einer besseren Planität auf, die auch größere Leiterplattenformate zulassen, . z.B. 340x360 mm, wie sie vor allem in der Meß-Steuer- und Regelungstechnik benötigt werden. Sehr vorteilhaft sind des weiteren die besonderen Oberflächeneigenschaften des Galvanoaluminiumeloxals, wie elektrische Isolierung, vorzüglicher Haftgrund für Isolierlacke und Kleber sowie metallische und nichtmetallische Beschichtungen, beliebige Einfärbbar- und Bedruckbarkeit, hohe Oberflächenhärte und Abriebfestigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit sowie ein hervorragendes Korrosionsschutzverhalten gegen die Atmosphärilien. Die erfindungsgemäßen Leiterplatten sind ferner unbrennbar.
-/-S"' VPA 80 P 7 5 6 6 DE
Einfachere Herstellung und leichtere mechanische Bearbeitbarkeit der Metallplatten mit geringerem Verschleiß der Bohrwerkzeuge gegenüber glasfaserverstärkten Epoxidharzplatten und Keramikplatten kommen den erfindungsgemäßen Leiterplatten ebenso zugute wie bessere Maßhaltigkeit und Freiheit von Alterungserscheinungen.
Der Kern der erfindungsgemäßen gut wärmeableitenden Leiterplatten von vorzugsweise 1-2 mm Dicke - mit und ohne Bohrungen - kann aus gut wärmeleitenden mechanisch festen Metallen, beispielsweise Kupfer-, Aluminium.-, Eisen-, Titan- und Buntmetallwerkstoffen sowie in Sonderfällen aus Silber oder auch aus Wärme- und elektrisch leitendem Graphit oder Kohlenstoff bestehen.
Die Erfindung wird durch die Zeichnung veranschaulicht. Sie zeigt im Querschnitt wärmeableitende Leiterplatten 1 und 6 gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Eisenkern 2 einer gelochten Leiterplatte 1, der mit einer 50 um dicken Galvanoaluminiumeloxalschicht 3 und einer 5 Um dicken Polyimidschicht 4 überzogen ist. .
Gemäß Fig. 2 ist der Kern 2 mit einer Kupferzwischenschicht 5 einer Dicke von 0,5 U^ überzogen, auf welcher sich die Galvanoaluminiumeloxalschicht 3 und die Isolierlackschicht 4 befinden. Die Leiterbahnstruktur ist mit 7 bezeichnet.
' Die erfindungsgemäßen wärmeableitenden Leiterplatten werden aus plangeschliffenen, mit Bohrungen von z.B. 0,8-1,2 mm Durchmesser versehenen Kernplatten von 1-5 mm Dicke der Oberflächenqualität 04 und 05 (nach DIN galvanisiergerecht) geschnitten, in einem Titanrahmen
JJ mit Spitzkontakten fixiert oder über Spannhaken aufgehängt und kontaktiert und dann oberflächenbehandelt und mit einer Galvanoaluminiumbeschichtung versehen gemäß den
♦ *
VPA 80 P 75 66 DE
DE-PS 1 496 993, 2 122 610, 2 260 191, 2 537 256 , 2 716 805 und 2 166 843 und den DE-OS 2 453 830 2 453 829. - - -"»'
Ein besonderer Vorteil der Galvanoaluminiumbeschichtung ist infolge der guten Mikrostreufähigkeit der aprotischen Aluminierbäder eine weitgehend gleichmäßige Beschichtung sowohl auf den Flächen als auch in den Bohrlochwandungen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die anschließende Anodisierung des aufgebrachten Galvanoaluminiums zum isolierenden Galvanoaluminiumeloxal .
Zur Anodisierung können an sich bekannte Eloxierbäder eingesetzt werden wie z.B. GS-, GSX-, GX- oder Harteloxierbäder. Dadurch wird eine elektrisch isolierende und gleichzeitig gut wärmeleitende Beschichtung der Kernleiterplatten erhalten, die sich durch besonders hohe Härte ) 4000 N/mm HV und entsprechende Abriebfestigkeit sowie hohe Resistenz gegen Atmosphärilien auszeichnen. Die so erzeugte Galvanoaluminiumeloxalschicht wird entweder in siedendem, entionisiertem oder destilliertem Wasser oder in überhitztem Wasserdampf in 30-60 min verdichtet und dadurch besonders korrosionsfest gemacht oder mit einem dünnen Isolierlackfilm überzogen.
Vor dem Verdichten kann die glasklar-transparente Galvano-Al-Eloxal-Schicht vermöge ihrer besonderen Feinstruktur durch Einfärbungen beliebig gekennzeichnet werden oder durch Bedruckungen konturenscharf beschriftet und dadurch charakterisiert werden, auch mehrfarbig. Auch durch Einlagerungen nicht leitfähiger, isolierender Substanzen, z.B. Kieselsäure, CrO3, TiO2, Al2O3 etc. kann ihr Isolationswert verbessert werden.
Die erfindungsgemäßen wärmeableitenden Leiterplatten
nachträgflch
geändert
-(-I VPA 80P75 66DE
können mit Vorteil bei Einheiten mit hoher Packungsdichte der Bauelemente verwendet werden. Sie eignen sich besonders für die Anwendungen in der Industrieelektronik, wo es notwendig ist, Schwach- und Starkstrom-Bauelemente auf einer Platteneinheit zu kombinieren.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
a) Herstellung der Galvanoaluminiumeloxalbeschlchtunp;
Eine 2 mm dicke Platte aus Eisen (USt 1203) mit Bohrungen von 1,2 mm Durchmesser wird mit 4 Titan-Sp/itzkontakten über die Schmalseitenkanten im Titan-Rahmen (Warengestell) fixiert und zugleich kontaktiert. Die Abmessungen der Platte betragen 340x360 mm.
Zur Oberflächenbehandlung wird die Platte samt Rahmen in einem sauren Ätzbad (TRINORM "Pe"®, SCHERING AG/ ^ Berlin) abgeätzt, in Fließwasser gespült und in einem ^ ^
Entfettungsbad mit Unterkupferung allseitig mit <-j J&j 0,4 μΐη Kupfer beschichtet.
Nach dem WasserspUlen wird die unterkupferte Stahlplatte im Perchlorethylen-Dampfbad entwässert und getrocknet, in Toluol gespült und noch toluolfeucht in das Galvano-Aluminierbad eingesenkt.
Zur Galvano-Al-Beschichtung in aprotischen, sauerstoff- und wasserfreien aluminiumorganischen Komplexsalz-Elektrolytmedien wird das mit blanken Metallplatten bestückte Kathodengestell toluol- oder xylolfeucht über die mit Inertgas (N2 oder Ar) gefüllte Schleuse der Galvanoaluminieranlage in den toluolverdünnten Elektrolyten eingesenkt und unter Kathoden- und Elektrolytbewegung im 80-10O0C heißen Bad mit der Galvano-Al-Beschichtung begonnen. Je nach Substrat-
-/J VPA 80 P 75 6 6 OE
mutall und spüler erforderlicher Galvano-Al-Eloxal-Schichtdicke werden 50 μια Galvano-Al allseitig (wenn gewünscht oder ausreichend auch einseitig) und homogen abgeschieden. Sehr wesentlich ist bei Leiterplatten, daß dank der guten Mikrostreufähigkeit der Galvanoaluminierelektrolyse auch die Bohrlochinnenwandungen hinreichend gut und dick mit Galvano-Al beschichtet werden, um anschließend eine einwandfreie Anodisierung zu ermöglichen. Kathodenbewegung und Elektrolytumwälzung müssen hierfür eine gute Durchströmung der Bohrlochkanäle herbeiführen. Die Elektrolytbewegung ist auch für die applizierbare Kathodenstromdichte ausschlaggebend, um eine Abscheidungsrate von 10 bis 20 oder mehr |im Al pro Stunde sicherzustellen. Nach dem Abscheiden der gewünschten Galvano-Al-Schichtdicke wird der Kathodenrahmen mit den galvano-aluminierten Metallplatten in die Schleuse hochgefahren, dort unter Inertgas die Abspritzwäsche mit Toluol vorgenommen und dann das bestückte Kathodengestell aus der Schleuse genommen. Durch kurzzeitiges Tauchen in ein Beizbad, z.B. TRINORM "Al"^, werden restlicher Elektrolyt und Hydrolyseprodukte aufgelöst und nach dem Spülen in Fließwasser silberhelle, matt-blendfreie Galvano-Al-" Beschichtungen erhalten.
Das Anodisieren des Galvanoaluminiums zum Galvanoaluminiumeloxal erfolgt nun unmittelbar anschließend in einem GSX-Eloxierbad. Bei Metallkern-Substraten aus Kupfer-, Eisen- und Buntmetall- sowie Silber-Werkstoffen kann nur ein mehr oder weniger großer Schichtanteil des aufgewachsenen Galvano-Al in Galvano-Al-Eloxal überführt werden, während bei Aluminium- und Titan-Werkstoffen das gesamte Galvano-Al und - wenn wünschenswert auch ein Teil des Substratwerkstoffes zu Galvano-Al-Eloxal anodisiert werden kann,, Sie beträgt 60 μπι. Sie ist sehr hart und
-ψ- 4. VPA 80 P 7 5 6 6 OE
entsprechend abriebfest und wird anschließend in siedendem entionisiertem Wasser 30-60 min lang verdichtet. Es wird eine besonders hohe Spannungsfestigkeit erreicht, die, falls erforderlich, durch einen zusätzlichen, aber dünnen Isolierlackfilm aus einem Polyimid erhöht werden kann.
b) Erzeugung der Leiterbahnstruktur durch Additivtechnik
Die erhaltene Galvano-Al-Eloxal-Oberfläche wird mit Hilfe der an sich bekannten Photoresisttechnik mit der gewünschten Leiterbahnstruktur versehen. Die nach dem Ablösen der nichtausgehärteten Resistflächen blanken Oberflächenbereiche (Leiterbahnstrukturen) werden mittels eines stromlosen Kupferoder Nickelbades (chemische Verkupferung bzw. Vernickelung) beschichtet und die nur wenige \m dünnen Metallschichten in galvanischen Kupferbädern verstärkt. Zur Erzielung einer guten Lötfähigkeit werden die Leiterbahnstrukturen ganz oder partiell verzinnt. Schließlich wird der restliche ausgehärtete Photoresistfilm entfernt.
Beispiel 2
25
Auf einer nach Beispiel 1a) hergestellten Galvano-Al-Eloxal -be schichteten Metallkernleiterplatte wird eine Leiterbahnstruktur nach
b) durch Substraktivtechnik erzeugt.
Hierzu wird die Galvano-Al-Eloxal-Oberfläche zunächst allseitig stromlos verkupfert. Die nur wenige (im dünne Kupferschicht wird anschließend in einem galvanischen Kupferbad bis auf 15-35 um verstärkt. Dann wird mit Hilfe der an sich bekannten Photoreaisttechnik die gewünschte Leiterbahnstruktur aufge-
BAD ORIGINAL
40- VPA 80 P 75 6 6 OE
bracht. Nach dem Belichten werden die Leiterbahnen freigelegt und die blanken Kupferoberflächen galvanisch verzinnt. Schließlich wird der verbliebene Resistfilm abgelöst und das freigelegte Kupfer weggeätzt, so daß die verzinnten Leiterbahnen und Lötaugen auf der Galvano-Al-Eloxal-Oberfläche allein verbleiben.
7 Patentansprüche
2 Figuren

Claims (7)

  1. vpa 80 P 7 5 6 6 DE
    Patentansprüche
    n.jwärmeableitende Leiterplatten mit einem Kern aus metallischen Werkstoffen, dadurch g e 5kennzeichnet , daß eine plane Kernplatte (2) von 1-5 mm Dicke eine 10-80 μπι dicke Galvano-Al-Eloxal-Schicht (3) aufweist.
  2. 2. Leiterplatten nach Anspruch 1, dadurch
    gekennzeichnet , daß die plane Kernplatte (2) Bohrungen aufweist.
  3. 3. Leiterplatten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der planen Kernplatte (2) und der Galvano-Al-Eloxal-Schicht (3) eine 0,1-2 μπι dicke Schicht (5) aus Kupfer oder Silber vorliegt.
  4. 4. Leiterplatten nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzei cJi_n_e| t , daß die plane Kernplatte (2) aus Eisen, Aluminium oder Buntmetall besteht.
  5. 5. Leiterplatten nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die plane Kernplatte
    (2) aus Aluminium, leitfähigen Kohlenstoff oder Graphit besteht.
  6. 6. Leiterplatten nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Galvano-Al-Eloxal-Schicht (3) eine mittels Additivtechnik aufgebrachte Leiterbahnstruktur (7) aufweist.
  7. 7. Leiterplatten nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Galvano-Al-Eloxal-Schicht (3) eine mittels Substraktivtechnik aufgebrachte Leiterbahnstruktur (7) aufweist.
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