DE4132947C2 - Elektronische Schaltungsanordnung - Google Patents

Elektronische Schaltungsanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsan­ ordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist bekannt, daß beim Aufbau insbesondere von Leistungs- Halbleiter-Bauelemente-Chips zu diskreten Bauelementen aber in noch stärkerem Maße zu integrierten Bauelementen erhöhte Aufmerksamkeit auf das Abführen der sich beim Betrieb im Einsatzfall bildenden Wärmemengen zu legen ist. Dieses Pro­ blem setzt hauptsächlich die Grenzen der oberen Leistungs­ fähigkeit und Dimensionierung. Diese Grenzen zu erweitern ist Gegenstand des Bemühens bei der Konzipierung neuer elektronischer Schaltungsanordnungen.
Die Wärmeübergänge zu entsprechenden Kühlflächen sind folglich neben der zuverlässigen dauer- und wechselbelastbaren elektrischen Verbindung mit besonderer Sorgfalt bei der konstruktiven Gestaltung der Bauelemente zu berücksichtigen. Bei immer weiterer Integration von Chips in ein einziges Schaltungselement sind die Wärmeübergänge auf die Kühlflächen ausschlaggebend für die funktionssichere Lebensdauer.
In diesem Bestreben ist ein wechsellastbeständiges schaltbares Leistungs-Halbleiter-Bauelement in der Vormontage seines Chips zu einem druckkontaktbelastbaren "Sandwich" aus der DE 34 21 672 A1 nennenswert. Dieses Bauelement bietet beim druck­ kontaktierten Aufbau einen niedrigen Wärmewiderstand und besitzt somit die Voraussetzungen für eine hohe Strombelast­ barkeit für Wechselbelastungen bei guter Langzeitstabilität.
Die technologisch sinnvolle Kombination von form- und stoff­ schlüssiger Verbindungstechnik der für den Aufbau von elektro­ nischen Schaltungsanordnungen benötigten Einzelbauteile ist aus der Literatur bekannt. So beschreibt DE 36 28 556 A1 eine Halbleiteranordnung, bei der Stromleiterteile wenigstens teilweise zur Druckkontaktierung ausgebildet sind, da hier eine wirtschaftliche Möglichkeit des Auswechselns einzelner Schaltungsteile gegeben ist, wie das auch bei Bauelementen nach DE 30 05 313 A1 möglich ist.
Auch in DE 35 08 456 C2 wird ein druckkontaktiertes Leistungs- Halbleiter-Bauelement beschrieben, hier, wie auch in den vor­ genannten Schriften, wird die elektrische Isolation gegen­ über dem äußeren Kühlbauteil über Metalloxidkeramiken erreicht.
Stoffschlüssige Verbindungen der einzelnen Bauteile einer elektronischen Anordnung untereinander, insbesondere das hauptsächlich geübte Löten, haben eine obere Grenze der An­ wendbarkeit bezüglich der Größe der gelöteten Fläche, wie das bereits in DE 37 36 671 A1 festgestellt wird. Die unter­ schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Bauteile unterein­ ander und zu der eingesetzten Metalloxid-Keramik als Isolator­ schicht führt zur Verwölbung mit hohen Scherkräften an den Verbindungsstellen insbesondere bei wechselnden Temperaturen.
Die Verwendung von flexiblen Folien an sich ist Stand der Technik. Aus EP 0 381 849 A1, insbesondere aus den dortigen Fig. 4 und 5, ist beispielsweise bekannt, daß formstabile und wärmebeständige flexible Folien aus organischen Polymeren hergestellt und mit strukturierten Metallkaschierungen versehen sind. Diese - sogenannte flexible Leiterplatte - mit ein- oder mehrschichtiger Folge, abwechselnd Folie und Metall, kann sehr gut als Substratträger und /oder Verbindungselement in der Leistungselektronik verwendet werden.
Mit solchen flexiblen Folien ist es beispielsweise sehr einfach möglich, unterschiedliche Bauhöhen innerhalb einer Schaltungsanordnung auszugleichen, was deren Einsatz in der Leistungselektronik begünstigt. Weiterhin sind aus der Literatur gleichfalls flexible Leiterplatten mit metallisierten Durchkontaktierungen bekannt.
In IBM Technical Disclosure Bulletin 1983, Vol. 25, Nr. 10, S. 5322 und in IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology 1990, Vol. 13, Nr. 4, S. 713-717 werden wärmeleitende Pasten mit isolierenden und elektrische leitfähigen Eigenschaften vorgestellt.
Aus DE 30 01 613 A1 ist ein Kleber als Zwischenschicht zwischen Halbleiterkörper und dessen Unterlage bekannt. Dieser Kleber besitzt elektrische leitende Eigenschaften, was durch Zumengen von bis zu 50% Metallen als Füllstoff in die aus Silicon bestehende Klebersubstanz erreicht wird.
Ein Verfahren zur Strukturierung von flexiblen Leiterplatten wird in DD-PS 147 437 vorgestellt. Auf der Grundlage der aus dem Handel bekannten normalen flexiblen Verbundmaterialien werden mittels Lasertechnik Kontaktfenster in die isolierende Folienschicht strukturiert.
Schließlich ist aus US 4,180,828 eine strukturierte flexible Leiterplatte bekannt, die als Verbindungselement der schaltungsinternen Kontakte zu äußeren Anschlußelementen dient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Isolation der stromführenden Teile von elektronischen Schaltungsanordnungen mit neuen Methoden zu lösen und dabei eine höhere Integrationsdichte in der Anordnung zu ermöglichen, wobei die Vorteile der formbündigen und formschlüssigen Verbindungstechniken automatisierungsfreundlich und auf einfache Art kombiniert genutzt werden sollen.
Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer solchen elektroni­ schen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11 gegeben.
Anhand der in den Fig. 1 bis 5 vergrößert dargestellten Skizzen einzelner Schnitte von Teilansichten möglicher Schaltungsanordnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schaltungsausschnitt, in dem der erfin­ dungsgemäße Isolationsaufbau mit bekannten Verbindungstech­ niken kombiniert ist.
Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Schichtfolge zwischen dem Kühlbauteil und Leistungs-Halbleiter-Bauelement in stoff­ schlüssiger Aufbauart.
Fig. 3 veranschaulicht den Aufbau eines Halbleiter-Chips in formschlüssiger Aufbauweise.
Fig. 4 stellt eine analoge Einzelheit mit druckkontaktiertem Verbindungselement dar und in
Fig. 5 ist der Einsatz einer zweiten flexiblen Folie als Einzelheit skizziert.
Gleiche Teile haben in allen Figuren die gleiche Benennung.
Die elektronische Schaltungsanordnung hat gemäß Fig. 1 den folgenden relevanten Schichtaufbau:
Auf einem Kühlbauteil (12), dessen Geometrie unbeachtlich bleiben soll, wird auf der für den Schaltungsaufbau vorge­ sehenen Fläche vorzugsweise im Siebdruckverfahren eine Paste (14) in durch das Sieb vorgegebenen Kontur und gleich­ mäßiger Dicke aufgetragen. Diese Paste (14) hat die Aufgabe, einen guten Übergang für die im Halbleiterkörper im Arbeits­ zustand entstehende Wärme zum Kühlbauteil (12) zu ermöglichen. Ein blasenfreier Auftrag der elektrisch isolierenden Paste (14) ist für die späteren guten Eigenschaften wichtig. Eine Verbesserung der Wärmeleitung kann bei der vorzugsweise aus organischen Esterölen hergestellten Paste durch Zumischen von pulverisierten Metalloxiden, vorzugsweise Zinkoxid, er­ zielt werde. Dabei ist der Anteil des Füllstoffes in Grenzen variierbar, wobei ein höherer Metalloxid-Anteil die Wärme­ leitung fördert.
Die Paste (14) besitzt die Eigenschaft, auch bei den wieder­ holt auftretenden Betriebstemperaturen nahe dem erlaubten oberen Maximalpegel dauerplastisch zu bleiben, ohne "aus­ zubluten", d. h. die Paste läuft auch bei Druckkontakten nicht von der Kontaktstelle in nicht unter Druck stehende Bereiche.
Auf diese strukturierte und pastöse Schicht (14) ist eine flexible Folie (16) aus organischen Poly­ meren, vorzugsweise Polyimid- oder Polyesterfolie fixiert. Diese an sich bekannten Folien bilden in hervorragender Weise zusammen mit der pastösen Schicht die Isolationsschicht der darauf aufgebauten stromführenden Bauteile zu dem Kühlbau­ teil. Der Vorteil des Einsatzes einer solchen Folie (16) mit den Eigenschaften der Formstabilität und Wärmebeständigkeit liegt in deren Flexibilität in den für den Aufbau von elek­ tronischen Schaltungsanordnungen kritischen Bereichen.
Gegenüber jeder starren Isolationsschicht, gleich ob aus anorganischen (Metalloxiden) oder organischen Verbundwerk­ stoffen (z. B. Epoxidharz-Glasgewebe) ist hier der Vorteil gegeben, daß eine ausdehnungsbedingte Verschiebung der Schichten untereinander auch bei vorher beauflagtem Druck spannungsfrei möglich ist.
Die an sich gegebenen schlechteren Wärmeübergangswerte der Folie können durch verschiedene Methoden gegenüber den guten Wärmeleitwerten von Keramiken ausgeglichen werden. Durch Zugabe von Füllstoffen vor dem Ausbilden der Folie kann die Spannungsfestigkeit, die bei diesen Folien wesentlich besser als bei Keramiken ist, aufrechterhalten werden, während die Wärmeleitfähigkeit erhöht wird. Die Folien dürfen wesentlich dünner als Keramiken gestaltet werden und es ist möglich, diese dünnere Schicht aus zwei oder mehreren Lagen mit dazwischenlaminierter vorzugsweise Kupferfolie einzu­ setzen. In bestimmten Fällen ist es letztlich auch möglich, eine Schichtfolge aus Folien mit dazwischenliegenden Paste­ schichten zu bilden, wobei diese Pasten dann elektrisch leitende Metalle als Füllstoff aufweisen sollten, da dann der Wärmeleitwert besser als bei der Zumischung von Metall­ oxiden ist. Solcher Art gebildete flexible Mehrlagenfolien in der die Durchschlagsfestigkeit erfordernder Stärke sind in den Figuren nicht gesondert aufgeführt, sondern mit der summarischen Bezeichnung (16) benannt.
Im weiteren Aufbau ist in Fig. 1 eine Metallfläche (34) in Form von drei Inseln dargestellt. Diese Inseln des Schal­ tungsausschnittes sind räumlich betrachtet das Schaltungs­ bild der strukturierten Metallkaschierung, die wegen der vorzüglichen elektrischen und wärmeleitenden Eigenschaften vorzugsweise aus Kupfer besteht, das vor dem Einsatz in die elektronische Schaltungsanordnung, aber nach dem Laminieren auf die flexible Folie, in bekannter Weise schaltungsgerecht strukturiert wurde. Die Leiterzüge, Löt- und Bondinseln so wie die Positionsstellen für den späteren Druckkontakt er­ möglichen im Zusammenwirken eine einfache und platzsparende Anordnung bei hohem Integrationsgrad der für die Schaltung erforderlichen Bauteile. Die Metallkaschierung kann in der Dicke, entsprechend der geforderten elektrischen Leistungs­ aufnahme, unterschiedlich definiert werden.
Der weitere Aufbau in Fig. 1 beinhaltet das stoffschlüssige Befestigen von Verbindungselementen (24) durch Bonden oder das direkte oder indirekte (über eine metallische Schicht, z. B. Molybdän (38)) Befestigen von Bauelementen (22) auf der Metallkaschierung (34). Das Bauelement (22) kann durch z. B. Bonden stoffschlüssig auf der dem Kühlbauteil (12) abgewandten Seite mit Verbindungselementen (24), die ihrerseits in gleicher Weise stoffschlüssig mit anderen stromleitenden Verbindungselementen (26) kontaktiert sind, verbunden werden.
In Fig. 2 ist das Wesentliche des Schaltungsaufbaus mit stoffschlüssigen Verbindungen dargestellt. Das Leistungs- Halbleiter-Bauelement (22) ist auf z. B. Molybdän (38) gelötet (36). Das Molybdän wiederum ist auf die Lötfläche der strukturierten Metallkaschierung (34) der flexiblen Folie (16) gelötet (36). Damit ist ein guter Wärmeübergang vom Bauelement (22) zur z. B. Kupferschicht (34) der Folie (16) hergestellt. Die Folie (16) und die Paste (14) sorgen für den notwendigen guten Wärmeabfluß zum Kühlbauteil (12).
An geeigneten Stellen der elektronischen Schaltungsanordnung ist es möglich, den Aufbau nach Fig. 2 durch die Ausbildung von Druckkontakten zu vereinfachen. Das wird dadurch realisiert, wie in Fig. 3 dargestellt, daß auf das Kühlbauteil (12) die Paste (14) und die Folie (16) mit der Metallkaschierung (34) in der bereits beschriebenen Weise aufgebaut wird. Auf die Kontaktfläche der Metallkaschierung (34) wird nun eine elektrisch leitende Paste (30) in geeig­ neter Weise punktuell oder flächenhaft gleichmäßig aufgetra­ gen. Diese Paste (30) ist wie die früher beschriebene Paste (14) wärmeleitend, hat jedoch Metalle, wie beispielhaft Aluminium, Silber oder Kohlenstoff, in Form von Graphit, als Füllstoffbeimengung, so daß der schaltungsgerechte elektri­ sche Stromfluß niederohmig oder praktisch widerstandslos von dem dort plazierten Bauelement (22) zu der Metalleiterbahn (34) der flexiblen Folie (16) möglich ist.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird beispielhaft auch in dem Schaltungsausschnitt der Fig. 4 dargestellt. Auf dem Kühlbauteil (12) wird wiederum die Paste (14) und die Folie (16) positioniert. Die Folie (16) hat auch in die­ ser Darstellung mindestens eine Metallschicht zur Befesti­ gung von Bauelementen auf einer Stromleitbahn (34). Hierauf ist stoffschlüssig (36) das Bauelement (22) befestigt. Die Kontaktierung der dem Kühlbauteil (12) abgewandten Seite des Bauelementes (22) wird mittels wärmeleitender Paste (30), die z. B. durch Silber als Füllstoff elektrisch leitend gestaltet wurde, zum Verbindungsteil (26) vorgenommen.
Fig. 5 skizziert einen Schaltungsausschnitt mit zwei einge­ setzten flexiblen Folien. Dabei ist der Aufbau bis zum Halb­ leiterchip bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1 bis 4 dargestellt. Speziell in den Einsatzfällen von Ansteuerbauelementen (32) mit geringer Strom- und folglich Wärmebelastung, aber auch bestimmte Leistungs-Halbleiter- Bauelemente (22) können über eine Leitpaste (30), wie bereits dargestellt wurde, auf der dem Kühlbauteil (12) abgewandten Seite direkt mit den Metalleitbahnen (34) einer zweiten flexiblen Folie (28) druckkontaktiert werden. Über Durch­ metallisierungen (40) können so elektrische Verbindungen auf beiden Seiten der Folie (28) zur kreuzungsfreien Verdrahtung mit hoher Packungsdichte realisiert werden. Dabei ist es auch möglich, durch andere Dimensonierung der dargestellten oberen Metallkaschierung (18) die schaltungsgemäßen elektrischen Forderungen nach hoher Stromdichte zu erfüllen.
Durch den Einsatz dieser zweiten flexiblen Folie (28) ist es vorzüglich möglich, Ebenenunterschiede der einzelnen Aufbau­ inseln, wie sie durch den Zusammenbau der unterschiedlichsten Elemente der Schaltungsanordnung auftreten, auszugleichen. Weiterhin kann die Geometrie der oberen (28), aber auch der unteren Folie (16) durch Stanzen oder Fräsen so gestaltet werden, daß Aussparungen, Rundungen und Durchbrüche allen erdenklichen geometrischen Erfordernissen entsprechend eingearbeitet werden und so für jede elektronische Schaltungs­ anordnung passgerechte Folien hergestellt werden können.
Der Einsatz von flexiblen Leiterplatten in Leistungs-Halbleiter-Bauelementen eröffnet eine neue Dimension der Erhöhung der Packungsdichte, eine wirt­ schaftliche Großserienfertigung gepaart mit den Vorteilen der zerstörungsfreien Demontage von Teilbezirken der Schaltung und entsprechend wirtschaftlich vorteilhaftem Wiederaufbau bzw. Sekundärverwertung einzelner Schaltungs­ elemente.
Die Löttechnik und Druckkontaktierung sind in dem Zusammen­ hang dieser Erfindung nicht beschrieben, es werden die dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren und Methoden genutzt, um die elektronische Schaltungsanordnung zu kom­ plettieren. Die Abschirmung und Hermetisierung war gleich­ falls irrelevant im Zusammenhang mit der Darstellung des erfinderischen Gedankens.

Claims (11)

1. Elektronische Schaltungsanordnung mit einem Kühlbauteil (12), auf dem thermisch leitend und elektrisch isolierend ein Substratträger (16) aufgebracht ist, auf dem Substratträger (16) mindestens ein zu kühlendes Leistungs-Halbleiter-Bauelement (22) befestigt ist und das zu kühlende Leistungs-Halbleiter-Bauelement (22) über Anschlußflächen zur elektrischen Verbindung mit äußeren und internen Verbindungselementen (24, 26, 28) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kühlbauteil (12) eine wärmeleitende, elektrisch isolierende und dauerplastische Paste (14) aufgetragen ist, die strukturiert ist, und auf dieser pastösen Schicht eine formstabile und wärmebeständige flexible Folie (16) aus organischen Polymeren mit strukturierter Metallkaschierung (sog. flexible Leiterplatte) angeordnet ist, die zusammen zugleich eine Isolationsschicht für die darauf angebrachten stromführenden Bauteile zu dem Kühlbauteil bilden.
2. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste (14) aus einem Gemisch organischer Verbindungen mit Füllstoffen besteht und als Schicht auf das Kühlbauteil (12) aufgetragen ist.
3. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste (14) auf Esteröl-Basis mit Metalloxiden als Füllstoff hergestellt ist.
4. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Folie (16) und das flexible Verbindungselement (28) aus Polyimid oder Polyester bestehen und ein- oder mehrlagig metallisiert, strukturiert und mit elektrischen Verbindungen mehrerer Metallschichten untereinander (40) versehen sind.
5. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den flexiblen Folien vorhandenen, teilweise strukturierten Metallschichten aus Kupfer unterschiedlicher Schichtdicke und partiellen Silber- oder Goldüberzügen bestehen.
6. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge der strukturierten Metallkaschierung der flexiblen Folien (16, 28) so geformt sind, daß eine formschlüssige Verbindung direkt zu äußeren Stromanschlüssen möglich ist.
7. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktinseln (34) in der Metallstruktur der Folien vorhanden sind, und auf den Kontaktinseln stoff- und/oder formschlüssig Verbindungselemente (26) und/oder Bauelemente (22, 32) kontaktiert sind.
8. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Löten (36) oder Bonden (24) stoffschlüssige Verbindungen zwischen den Kontaktinseln (34) und einem Verbindungselement (26) oder einem Bauelement (22) direkt mit dessen Kontaktfläche oder indirekt über eine metallische Zwischenschicht (38) hergestellt sind.
9. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Druckkontakte direkt zwischen der Metallisierungsschicht der Folie und dem Verbindungselement (26) oder dem Bauelement (22, 32) oder indirekt über eine elektrisch leitende Paste (30) aufgebaut sind.
10. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bauelemente (32) beidseitig mit flexiblen Folien (16, 28) kontaktiert sind.
11. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zwischenschicht (38) aus Molybdän geformt ist und einen galvanisch oder stromlos gebildeten metallischen Überzug besitzt.
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