DE3412296C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybridschaltung ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Hybridschaltung ist aus der DE-OS 21 50 695 bekannt. Dort ist ein metallischer Körper mit einer ke­ ramischen Zwischenschicht versehen. Auf die keramische Zwischenschicht wird eine lötfähige Metallisierung auf­ gebracht. Auf die Metallisierung werden Bauelemente, wie Transistoren, Dioden, Dickschichtwiderstände, Kondensa­ toren und Halbleiterkomponenten aufgelötet. Als Verbin­ dungselemente zwischen den Bauelementen und (externen) Anschlußleitern dienen Bonddrähte.

Aus dem DE-GM 78 22 999 ist ein Schichtschaltungsmodul bekannt, das mit seiner einen Hauptfläche auf einem Kühlkörper befestigt ist und das auf seiner anderen Hauptfläche Leiterbahnen und Bauelemente enthält. Es wird ein keramischer Trägerkörper verwendet. Sowohl Leiterbahnen als auch Bauelemente liegen auf dem gemein­ samen, starren Träger.

Aus der US-PS 43 55 199 sind leitfähige Verbindungen zwischen einer metallisierten Oberfläche eines ersten Filmmaterials aus Kunststoff und einem Metall oder einer metallisierten Oberfläche eines Substrates bekannt. Die Verbindung umfaßt einen flexiblen, mit dem Substrat ver­ bundenen Leiter und einen zweiten Kunststoffilm, der mit der metallisierten Oberfläche des ersten Filmmaterials und mit dem flexiblen Leiter verbunden ist, um eine leitfähige Verbindung zwischen der metallisierten Ober­ fläche des ersten Films und dem Substrat zu bewirken. Der zweite Kunststoffilm ist so angeordnet, daß er den flexiblen Leiter in direkten Kontakt mit der metalli­ sierten Oberfläche des ersten Filmmaterials hält, um eine elektrische Verbindung zu gewährleisten.

Aus J. Lymann, Microelectronics Interconnection and Packaging, McGraw-Hill Publication Co., New York, 1980, Seite 120 bis 121 sind flexible Multilayer-Schaltkreise bekannt. Diese flexiblen, gedruckten Schaltkreise dienen als vorgeformte, vorverdrahtete Verbindungselemente zwi­ schen Vielschichtschaltungen. Dabei haben die flexiblen Schaltkreise eine zweifache Aufgabe. Einerseits dienen sie zur (mechanischen) Befestigung von gedruckten Multi­ layer-Schaltkreisen untereinander, und andererseits stellen sie eine weitere Verdrahtungsebene für die star­ ren Multilayer-Schaltkreise dar.

Eine weitere Hybridschaltung ist aus H. Delfs, Hybrid­ schaltungen, 1973, Verlag Berliner Union GmbH, Stutt­ gart, Verlag W. Kohlhammer GmbH, Stuttgart, Berlin, Köln, Mainz, Seite 69 bis 70 bekannt. Dort wird eine "Viellagen-Druckschaltung" aus Keramik mit mikroelektro­ nischen Dimensionen beschrieben, wobei jede Lage aus einem papierartigem Blatt aus ungebrannter, sogenannter grüner Keramik besteht und mit Leiterbahnen aus Molyb­ dän-Mangan bedruckt ist.

In der Dünnschicht- und Dickschichttechnologie sind in diesem Zusammenhang allgemein verschiedene Substrate bekannt, wie Glas, Keramik, Stahl-Emaille und Multi­ layer-Keramiken. Diese Substrate können auch fester Be­ standteil von Gehäusen sein, indem das (Multilayer-)Sub­ strat, der Gehäuseboden und die Stromdurchführung eine fertige Einheit bilden. Diese Einheiten werden bestückt und mit einem Deckel hermetisch verschlossen bzw. mit Kunststoff gekapselt. Um hohe Verlustleistungen abführen zu können, werden kupferbelegte Metallplatten als Gehäu­ seboden eingesetzt.

In der Mikroelektronik zwingt die ständige Erhöhung der Packungsdichte zu guter Wärmeableitung der Verlustlei­ stung und zu Substraten mit Multilayer-Strukturen, die gleichzeitig eine hohe Wärmeabfuhr bei guter elektri­ scher Isolationsfestigkeit gewährleisten.

Die genannten Substrate können nur einen Teil dieser Forderungen abdecken, z. B. kann Glas als Substrat zwar die durch die Dünnschichttechnologie und an die Isola­ tion gestellten Anforderungen erfüllen, nicht aber eine hohe Wärmeabfuhr gewährleisten. Keramik als Substrat verfügt zwar über eine gute Wärmeabfuhr und Isolations­ festigkeit, ist aber nicht für Dünnschicht-Multi­ layer-Strukturen geeignet. Kupferbelegte Metallplatten schließlich sind nicht geeignet als Dünnschichtsubstra­ te.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, eine Hybridschaltung der eingangs genannten Art an­ zugeben, die neben guten Eigenschaften bezüglich elek­ trischer Isolationsfestigkeit sowie Wärmeableitvermögen für diskrete, wärmeproduzierende Bauelemente gleichzei­ tig zur Aufnahme von Dünnschicht-Bauelementen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß die Hybridschaltung eine hohe Pac­ kungsdichte bei guter Wärmeableitung gewährleistet. Die verlustleistungsintensiven diskreten elektronischen Bau­ elemente sind dabei auf dem gut wärmeleitenden Metall­ substrat aufgebracht, während die Kunststoffolie die passive Schaltung, d. h. das Leiterbahnnetzwerk mit pas­ siven Bauteilen trägt. Bei Einsatz beidseitig bedruckter bzw. beschichteter Kunststoffolien oder mehrerer über­ einander gestapelter Folien sind vorteilhaft keine Lei­ terbahnüberkreuzungen auf den Folien selbst notwendig. Als diskrete elektronische Bauelemente können sowohl aktive Halbleiterbauelemente wie auch passive Bauelemen­ te, z. B. Widerstände, eingebaut werden, die zunächst als Untereinheiten auf Keramiksubstraten aufgebracht sind, wobei die Keramiksubstrate selbst auf dem Metallsubstrat montiert sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Hybridschaltung in Multi­ layer-Technik von oben,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Hybridschaltung in Multilayer-Technik.

In Fig. 1 ist eine Ansicht einer Hybridschaltung in Mul­ tilayer-Technik von oben dargestellt. Es ist ein diskre­ tes elektronisches Bauelement 1, beispielsweise ein Wi­ derstandsnetzwerk auf Keramiksubstrat oder ein IC-Chip, zu erkennen, das unter Zwischenschaltung einer dünnen Isolationsschicht 2 b auf ein Metallsubstrat aufgeklebt ist. Das Bauelement 1 kann auch auf ein isoliertes Me­ tallsubstrat aufgelötet oder aufgebondet sein. Das Me­ tallsubstrat sollte aus einem Material mit gutem Wärme­ leitvermögen bestehen, z. B. aus einer kupferkaschierten Fe-Ni-Legierung mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten. Die Isolationsschicht 2 b kann z. B. aus einer CVD- Schicht (durch chemische Reaktion abgeschiedene Schicht), einer PTFE-Schicht oder aus einem aufgesponne­ nen und eingebrannten Polyimid-Polymer-Lack bestehen. Die Isolationsschicht 2 b soll nur so dick sein, daß ei­ nerseits die elektrische Isolation der diskreten elek­ tronischen Bauelemente 1 hinreichend gewährleistet, an­ dererseits die Abfuhr der bei Betrieb erzeugten Verlust­ leistungswärme an das Metallsubstrat gegeben ist. Auf die Isolationsschicht 2 b können Dünnschicht-Schaltkreise aufgebracht werden (in Fig. 1 nicht dargestellt).

Zur Verschaltung der Hybridschaltung sind eine oder meh­ rere Kunststoffolien vorgesehen, die ein- oder beidsei­ tig mit Leiterbahnnetzwerken bedruckt bzw. beschichtet sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind eine er­ ste Kunststoffolie 3 und eine zweite Kunststoffolie 4 übereinander gestapelt. Durch die Aufteilung der Leiter­ bahnen in mehreren Ebenen können vorteilhaft Leiterbahn­ überkreuzungen in einer Ebene verhindert werden. Als Material für die Kunststoffolien dient vorzugsweise Po­ lyimid. Die Folien 3, 4 können durch Kleber fixiert sein. Die von den diskreten elektronischen Bauelementen 1 beanspruchten Flächen (Chipflächen) sind in der Kunst­ stoffolie 3 jeweils entsprechend ausgestanzt. Der An­ schluß zwischen den elektronischen Bauelementen 1 und den Leiterbahnen der Kunststoffolien 3, 4 erfolgt je­ weils über Bond- bzw. Lötstellen 5.

Das Leiterbahnnetzwerk auf den Folien 3, 4 kann bei­ spielsweise fotolitografisch hergestellt werden, wobei kupferkaschierte Folien eingesetzt werden können. Teile des Netzwerkes können auch durch Dünnschicht-Technologie auf Polyimid-Folie realisiert werden. In das Leiterbahn­ netzwerk können passive Bauelemente, wie Widerstände und Kondensatoren in Dünnschicht-Technologie oder in Form diskreter Bauelemente integriert werden. Die auf den Folien 3, 4 aufgebrachten Bauelemente sollten jedoch nur wenig Verlustwärme produzieren, da anderenfalls die Ge­ fahr einer örtlichen Überhitzung des Bauelementes bzw. der Folie besteht. Verlustleistungsintensive Bauelemente sind daher vorzugsweise in denjenigen Dünn­ schicht-Schaltkreisen zu integrieren, die über die dünne Isolationsschicht 2 b direkt mit dem Metallsubstrat in Verbindung stehen. Durch das Metallsubstrat ist eine ausreichende Wärmeabfuhr und damit Kühlung der Bauele­ mente gewährleistet.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Hybridschaltung in Multilayer-Technik dargestellt. Das Metallsubstrat 6 ist dabei als Boden eines die Hybridschaltung umschließenden Gehäuses gebildet. Auf dem Metallsubstrat 6 ist die dünne Isolationsschicht 7 und das darauf aufgebrauchte diskrete elektronische Bauelement 8 zu erkennen. Es sind wiederum zwei Folien, und zwar eine erste Kunststoffolie 9 und eine zweite Kunststoffolie 10 über Bond- bzw. Löt­ stellen mit dem diskreten elektronischen Bauelement 8 verbunden.

Zur elektrischen Verbindung zwischen den Folien 9, 10 kann eine Drahtbrücke 12 oder eine Lötverbindung 13 Ver­ wendung finden. Für den externen Anschluß der Hybrid­ schaltung sind Anschlußstifte 4 durch den Gehäuseboden, d. h. das Metallsubstrat 6 geführt, wobei die Anschluß­ stifte 14 von Isolierhülsen 15 zur elektrischen Isola­ tion gegen das Metallsubstrat 6 umgeben sind.

Zum Kontaktieren der Anschlußstifte 14 mit der Hybrid­ schaltung können eine dritte, direkt mit der dünnen Iso­ lationsschicht 7 verklebte Kunststoffolie 16 oder allge­ mein ein Dünnschicht-Schaltkreis vorgesehen sein. Eine Drahtbrücke 17 dient dabei zur Kontaktierung des An­ schlußstiftes 14 mit der dritten Kunststoffolie 16 und eine Drahtbrücke 18 zur Kontaktierung der Folie 16 mit dem diskreten elektronischen Bauelement 8. Die Draht­ brücken 12, 17, 18 werden dabei vorzugsweise gebondet bzw. gelötet.

Die Bestückung und Fügung (Löten, Bonden, Kleben, TAB- Verfahren) einschließlich Verkapselung der Hybrid­ schaltung erfolgt in allgemein bekannter Technologie. Als Beispiel einer Verkapselung ist in Fig. 2 ein Gehäu­ sedeckel 19 angedeutet, der einen hermetischen Verschluß des Gehäuses gewährleistet. Alternativ hierzu ist eine Kapselung mit Kunststoff möglich.

Claims (4)

1. Hybridschaltung, bestehend aus einem isolierten Metallsubstrat mit diskreten Bauelementen, welche über Bond- bzw. Lötstellen durch Verbindungselemente verbun­ den sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungs­ elemente in Form von mindestens einer, Leiterbahnnetz­ werke und Dünnschicht-Bauelemente aufweisenden Kunst­ stoffolie (3, 4, 9, 10, 16) ausgebildet sind, wobei die von den diskreten elektronischen Bauelementen (1, 8) bean­ spruchten Flächen in der Kunststoffolie (3, 9, 10, 16) je­ weils ausgespart sind.

2. Hybridschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kunststoffolie (3, 4, 9, 10, 16) eine Po­ lyimidfolie Verwendung findet.

3. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden An­ sprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolien (3, 4, 9, 10, 16) beidseitig mit Leiterbahn­ netzwerken versehen sind.

4. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz mehrerer Kunststoffolien (3, 4, 9, 10, 16) die Folien unter­ einander durch Kleber fixiert sind.