DE4208604A1 - Verbundmaterial zur verwendung als traeger elektrischer schaltkreise sowie unter verwendung des verbundmaterials hergestellter elektrischer schaltkreis - Google Patents

Verbundmaterial zur verwendung als traeger elektrischer schaltkreise sowie unter verwendung des verbundmaterials hergestellter elektrischer schaltkreis

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundmaterial gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf einen elektrischen Schaltkreis entsprechend Oberbegriff Patentanspruch 12.
Es ist bekannt, für elektrische bzw. elektronische Schalt­ kreise, insbesondere für solche mit höherer Leistung, als Substrat bzw. Träger ein Verbundmaterial zu verwenden, welches eine Trägerschicht aufweist, die an einer Ober­ flächenseite eine Keramik-Beschichtung besitzt. Bei fertig­ gestelltem Schaltkreis ist die Trägerschicht aus Kupfer z. B. in geeigneter Weise flächig mit einer Metallplatte verbunden, mit der der Schaltkreis dann an einem Gehäuse, an einem Kühlkörper zum Abführen von Verlustwärme usw. befestigt werden kann. Auf der der Tragschicht abgewandten Seite der Keramikbeschichtung sind die elektrischen Bauelemente vorgesehen.
Ein Problem besteht hierbei darin, daß zur Abführung der Verlustwärme insbesondere der Leistungs-Bauelemente eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit auch für die Keramikschicht verlangt wird. Weiterhin ist aber insbesondere auch wegen des Wettbewerbs- bzw. Preisdruckes, dem elektrische Bauelemente und Schaltkreise unterworfen sind, eine preisliche Opti­ mierung der Kosten des Verbundmaterials notwendig. Aus diesem Grunde wird bei Schaltkreisen höherer Leistung für die Keramikschicht verstärkt eine Beryllium-Oxid-Keramik ver­ wendet, die bei annehmbaren Kosten eine ausreichende Wärme­ leitfähigkeit gewährleistet. Dieses Material bereitet aber wegen seiner toxischen Eigenschaften Probleme bei einer späteren Entsorgung entsprechender Schaltkreise.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbundmaterial bzw. einen unter Verwendung dieses Verbundmaterials hergestellten Schaltkreis aufzuzeigen, welches bzw. welcher bei einer preiswerten Herstellungsmöglichkeit sowie bei Vermeidung von toxischen Problemen optimale thermische Eigenschaften insbesondere hinsichtlich der Ableitung von Verlustwärme bei elektrischen Leistungs-Schaltkreisen gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verbundmaterial entspre­ chend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 bzw. ein Schaltkreis entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 12 ausgebildet.
Bei der Erfindung ist die Keramik-Beschichtung in wenigstens zwei Schichten aufgeteilt, und zwar in die erste Schicht aus der Aluminiumoxid-Keramik, die sehr preiswert erhältlich ist, allerdings eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit nur von etwa 20 W/m·K besitzt. Diese Wärmeleitfähigkeit ist aber für leistungsarme bzw. mit niedriger Leistung betriebene Bauteile bzw. für die hier notwendige Wärmeableitung völlig aus­ reichend. Die zweite Schicht besteht aus der Aluminiumnitrid- Keramik, deren Wärmeleitfähigkeit etwa um den Faktor 10 höher liegt und etwa 180 W/m·K beträgt. Gleichzeitig ist dieses Material aber etwa um den Faktor 10 teurer als die Aluminium­ oxid-Keramik. Die zweite Schicht ist also dort verwendet, wo die Leistungsbauelemente des Schaltkreises vorgesehen werden sollen.
Trotz der weiterhin sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten der verschiedenen Keramik-Materialien wird ein festes und dauerhaftes Verbundmaterial, welches auch bei den in der Praxis auftretenden unter Umständen hohen Temperatur­ schwankungen keine Ermüdungserscheinungen insbesondere auch in der Verbindung bzw. Verbindungsschicht zwischen der Trägerschicht und der Keramik-Beschichtung zeigt, dann erhalten, wenn die Verbindung zwischen Trägerschicht und den Keramikschichten unter Verwendung des sog. "DBC-Verfahrens" (Direct-Bond-Copper-Technologie) hergestellt wird. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche des Kupfers mit Sauerstoff behandelt, so daß dort eine dünne Kupferoxydschicht entsteht. Diese Kupferoxydschicht bildet dann ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers. Die Oberfläche der wenigstens einen zweiten Schicht aus der Aluminiumnitrid-Keramik wird durch geeignete Maß­ nahmen, z. B. durch Glühen in einer Sauerstoffatmosphäre bei etwa einer 1250°C für das Eutektikum benetzbar gemacht. Nach dieser Behandlung und der Behandlung der Oberfläche der die Trägerschicht bildenden Kupferschicht mit Sauerstoff werden die Schichten aus der unterschiedlichen Keramik unter Erhitzung der Materialien auf die eutektische Temperatur sowie durch Anpressen der Keramikschichten an die Träger­ schicht miteinander verbunden. Durch das DBC-Verfahren werden Zwischen- bzw. Verbindungsschichten aus weiteren Materialien, die bei Temperaturschwankungen Ermüdungserscheinungen unterliegen könnten, vermieden.
Wesentlich ist bei der Erfindung auch, daß sich die Schichten aus dem unterschiedlichen Keramik-Material nicht überdecken oder überlappen, so daß die Wärmeleitfähigkeit insbesondere der Aluminiumnitrid-Keramik bzw. der zweiten Schicht voll zur Wirkung kommt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrates bzw. Verbundmaterials;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Verbundmaterial gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, jedoch bei einer weiteren, möglichen Ausführungsform;
Fig. 4 eine Draufsicht auf Fig. 3;
Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, jedoch bei einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform;
Fig. 6 und 7 im Schnitt sowie in Draufsicht eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Verbundmaterial ist als Träger für einen beispielsweise unter Verwendung von Halbleiterbauelementen hergestellten elektrischen Schaltkreis geeignet, und zwar für einen Schaltkreis, der zusätzlich zu einer Schaltung mit niedriger Leistung auch eine Schaltung für hohe Leistung und damit mit relativ hoher Verlustleistung aufweist.
Das Verbundmaterial besteht aus einer ersten Schicht, die von einem dünnen Plättchen 1 aus einer Aluminiumoxid-Keramik- (Al2O3) gebildet ist. Die Schicht 1, die einen rechteck­ förmigen Zuschnitt aufweist, besitzt ein bei der dargestell­ ten Ausführungsform rechteckförmig ausgebildetes Fenster bzw. eine entsprechende Öffnung 2, in der ein eine zweite Schicht 3 bildendes Plättchen aus einer Aluminiumnitrid-Keramik (AlN) angeordnet ist. Der rechteckförmige Zuschnitt der Schicht 3 ist so gewählt, daß im Bereich der Öffnung 2 eine die Schicht 3 umschließende Fuge 4 verbleibt. Die Breite dieser Fuge 4 ist so gewählt, daß sie selbst bei extremen Temperatur­ schwankungen, beispielsweise in dem für die Autoelektronik in Betracht gezogenen Bereich von -70°C bis +125°C, für die Aufnahme temperaturbedingter Änderungen in den Abmessungen der Schichten 1 und 3 ausreicht.
Bei der dargestellten Ausführungsform besitzen beide Schich­ ten 1 und 3 die gleiche Dicke, so daß das Verbundmaterial auch an derjenigen Oberflächenseite, an der die Schichten 1 und 3 freiliegen, eine im wesentlichen ebene Fläche bildet. An der anderen Oberflächenseite des Verbundmateriales sind die beiden Schichten 1 und 3 durch eine Verbindungs- bzw. Trägerschicht 5 miteinander verbunden. Diese Trägerschicht 5 besteht aus Kupfer. Die Schichten 1 und 3 sind jeweils ganzflächig mit der Trägerschicht 5 verbunden, und zwar unter Anwendung des DCB-Verfahrens. Für dieses Verfahren ist die Trägerschicht 5 zumindest an ihrer Oberflächenseite, an der die Verbindung mit den Schichten 1 und 3 erfolgen soll, durch Behandlung mit Sauerstoff mit einer dünnen Kupferoxidschicht versehen. Diese Kupferoxidschicht bildet dann ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers. Durch Erhitzen der Schichten 1 und 3 sowie der Trägerschicht 5 wenigstens auf die eutektische Temperatur bei gleichzeitigem Anpressen der Schichten 1 und 3 gegen die Trägerschicht 5 wird die Verbindung zwischen der Träger­ schicht 5 und den Schichten 1 und 3 hergestellt, und zwar ohne daß die Verwendung eines weiteren Materials (z. B. Lot) notwendig ist.
Im Verwendungsfall wird das Verbundmaterial beispielsweise mit der Trägerschicht 5 an einer Platte 6 befestigt, die in der Fig. 1 mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Mit dieser Platte können dann die auf dem Verbundmaterial gebildete Schaltung bzw. deren Schaltkreise 7 und 8 an einem Gehäuse, an einem Kühlkörper oder dgl. befestigt werden. Die die Schaltung bzw. deren Schaltkreise 7 und 8 bildenden elektrischen Bauelemente sind an der der Trägerschicht 5 abgewandten Seite der Schichten 1 und 3 vorgesehen. Dort sind dann durch weitere Kupferschichten 9 und 10 Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen ausgebildet, wobei diese Leiter­ bahnen oder Kontaktflächen den Spalt 4 auch überbrücken können.
Im Detail bildet von diesen weiteren Kupferschichten die Kupferschicht 9 Leiterbahnen und Kontakte 11 im wesent­ lichen auf der der Trägerschicht 5 abgewandten Oberflächen­ seite der Schicht 1 und die Kupferschicht 10 entsprechende Leiterbahnen und Kontakte 12 im wesentlichen auf der der Trägerschicht 5 abgewandten Oberseite die Schicht 3. Die Kupferschichten 9 und 10 sind bevorzugt ebenfalls unter Anwendung des DCB-Verfahrens aufgebracht. Zur Bildung der Leiterbahnen und Kontakte sind die Kupferschichten 9 und 10 strukturiert. Hierfür kann eine Vorstrukturierung der Kupferschichten 9 und 10 bereits vor deren Aufbringen, beispielsweise durch Stanzen, Ätzen oder andere geeigneten Techniken erfolgen, wobei dann nach dem Aufbringen durch eine evtl. Nachstrukturierung (z. B. durch Ätzen, Lasern, oder eine andere geeignete Technik) von der Vorstrukturierung ver­ bliebene bzw. belassene Materialstege entfernt werden.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, zur Erzielung der Leiterbahnen oder Kontakte die Kupferschichten 9 und 10 bereits vollständig vorzustrukturieren oder aber erst nach dem Aufbringen vollständig durch Ätzen oder eine andere geeignete Technik zu strukturieren. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Kupferschicht 10 nur zum mechanischen Befestigen des Leistungs-Schaltkreises 8 bzw. der Bauelemente dieses Schaltkreises zu verwenden. Zur Kontaktierung des Lei­ stungs-Schaltkreises 8 mit den Leiterbahnen 11 und/oder zum Verbinden der Leiterbahnen bzw. Kontakte 11 und 12 sind sog. Drahtbonds 13 vorgesehen.
Für die Herstellung der Leiterbahnen und/oder Kontakte können auch andere Techniken verwendet werden, bevorzugt können diese Leiterbahnen und/oder Kontakte mit der an sich be­ kannten Dickfilmtechnik erzeugt werden.
Das Einbringen der Öffnung 2 in die Schicht 1 erfolgt beispielsweise durch Lasern, d. h. durch Schneiden unter Verwendung eines Laser-Strahles. Die Öffnung 2 kann aber in wesentlich einfacherer Weise auch dadurch erhalten werden, daß sie aus dem noch "grünen", d. h. nicht gebrannten Kera­ mik-Rohling, der nach seinem Brennen das Plättchen bzw. die Schicht 1 bildet, ausgestanzt wird, und daß dieser Rohling dann erst nach dem Ausstanzen der Öffnung 2 gebrannt wird, um die Schicht 1 mit der Öffnung 2 zu erhalten.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß auf der Träger­ schicht 5 die Bauelemente der Schaltung angeordnet sind, wobei dann diese Trägerschicht 5 beispielsweise so ausgeführt ist, daß sie Leiterbahnen bildet.
Die Schicht 1 aus der Aluminiumoxidkeramik besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 20 W/m·K, während die Wärmeleit­ fähigkeit der Schicht 3 aus der Aluminiumnitrid-Keramik einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 7×10-6/°C, der im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten der die Schicht 3 bildenden Aluminiumnitrid-Keramik wesentlich größer ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Aluminiumnitrid- Keramik liegt bei ca. 4×10-6/°C.
Trotz dieses sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten ist über die Trägerschicht 5 und insbesondere auch durch das DBC-Verfahren eine zuverlässige Verbindung der beiden unterschiedlichen Keramik-Materialien zu dem Verbund­ material erreicht, und zwar derart, daß auch bei den in der Praxis auftretenden bzw. zu erwartenden Temperaturerschei­ nungen Ermüdungserscheinungen in der Verbindung nicht auftreten. Dies ist durch die nach dem DBC-Verfahren her­ gestellte Verbindung zwischen der Trägerschicht 5 und den Schichten 1 und 3 erreicht, da zusätzliche Materialien, die Ermüdungserscheinungen unterworfen sein könnten, nicht erforderlich sind.
Der Leistungs-Schaltkreis 8 bzw. dessen Bauelemente sind auf der Schicht 3 vorgesehen, während die Schicht 1 aus der im Vergleich zur Aluminiumnitrid-Keramik etwa um den Faktor 10 kostengünstigeren Aluminiumoxid-Keramik zur Aufnahme der leistungsarmen Schaltkreise 7 bzw. deren Bauelemente dient.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 ein Substrat bzw. Verbundmaterial, welches sich von dem Verbundmaterial nach Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß das Plättchen bzw. die Schicht 3 aus der Aluminiumni­ trid-Keramik nicht von der Schicht 1 aus der Aluminium-Oxid- Keramik umschlossen ist, sondern beide Schichten, d. h. die der Schicht 1 entsprechende Schicht 1a und die der Schicht 3 entsprechende Schicht 3a nebeneinander und durch eine Fuge 14 voneinander beabstandet an der Oberseite der Trägerschicht 5 vorgesehen sind.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung, bei der die Schicht 1 anstelle einer rechteckförmigen Öffnung 2 eine kreisrunde Öffnung 2a aufweist, die eine der Schicht 3 entsprechende kreisscheiben­ förmige Schicht 3b umschließt. Die Schicht 3b besteht somit bei dieser Ausführungsform aus einer kreisförmigen Scheibe aus der Aluminiumnitrid-Keramik.
Die Fig. 6 und 7 zeigen in ähnlicher Darstellung wie die Fig. 3 und 4 einen Schaltkreis entsprechend einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Aus­ führungsform ist auch die untere Trägerschicht 5 im Bereich der Fuge 14 zwischen den Schichten 1a und 3a unterbrochen. Die oberen Schichten 9 und 10 bzw. die von diesen Schichten gebildeten Kontakte bzw. Leiterbahnen 11 sind so ausgeführt, daß die beiden Schichten 1a und 3a und mit diesen der jeweilige Teil der Trägerschicht 5 über zwei die Fuge 14 stegartig überbrückende Leiterbahnen 11 mechanisch mitein­ ander verbunden sind.
In die auch in der Trägerschicht 5 ausgebildete Fuge 14 kann eine elektrisch hoch isolierende Vergußmasse eingebracht werden, so daß eine besonders zuverlässige Isolation bzw. Potentialtrennung zwischen den Leiterbahnen 11 an der Oberseite und der geteilten Trägerschicht 5 an der Unterseite gewährleistet ist.
Die Ausführung nach den Fig. 6 und 7 eignet sich insbesondere für Schaltkreise, bei denen hohe elektrische Spannungen auftreten.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Ab­ wandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung tragende Gedanke verlassen wird.

Claims (12)

1. Keramik-Verbundmaterial, insbesondere als Träger für elektrische Schaltkreise, im wesentlichen bestehend zumindest aus einer Trägerschicht (5) aus Kupfer, die an wenigstens einer Oberflächenseite eine Keramik-Beschich­ tung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik- Beschichtung von wenigstens zwei Schichten (1, 3, 1a, 3a, 3b) gebildet ist, von denen eine erste aus einer Alumi­ niumoxid-Keramik und eine zweite aus einer Aluminium­ nitrid-Keramik besteht, daß beide Schichten mit jeweils einer Oberflächenseite unter Verwendung des DBC-Ver­ fahrens unmittelbar an einer Oberflächenseite der Trägerschicht (5) befestigt sind, und daß die beiden Schichten (1, 3, 1a, 3a, 3b) auch mit ihren der Träger­ schicht (5) abgewandten Oberflächenseiten einander nicht überdeckend bzw. überlappend vorgesehen sind.
2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 3, 1a, 3a, 3b) aus der Alumi­ niumoxid-Keramik bzw. Aluminiumnitrid-Keramik durch eine Fuge (4, 14) voneinander beabstandet sind.
3. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Schicht (1) eine Öffnung (2, 2a) aufweist, in der die zweite Schicht (3, 3b) angeordnet ist.
4. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1, 1a) und die zweite Schicht (3, 3a, 3b) mit ihren der Trägerschicht (5) abgewandten Oberflächenseiten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
5. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die der Trägerschicht (5) abgewandte Oberflächenseite der ersten und/oder zweiten Schicht (1, 3) eine weitere Kupferschicht (9, 10) unter Verwendung des DBC-Verfahrens aufgebracht ist.
6. Verbundmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (9, 10) zur Bildung von Leiter­ bahnen und/oder Kontaktflächen (11, 12) vor dem Auf­ bringen strukturiert, beispielsweise durch Stanzen und/oder Ätzen strukturiert ist.
7. Verbundmaterial nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die weitere Schicht (9, 10) nach dem Aufbringen strukturiert, beispielsweise durch Ätzen strukturiert ist.
8. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Schicht (1, 3) an ihrer der Trägerschicht (5) abgewandten Ober­ flächenseite mit Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen (11, 12) versehen ist.
9. Verbundmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen und/oder Leiterbahnen durch Dickfilmtechniken erzeugt sind.
10. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (5) im Bereich eines zwischen der ersten und zweiten Schicht (1, 3, 1a, 3a, 3b) gebildeten Spaltes (14) unterbrochen ist, und daß an der der Trägerschicht (5) abgewandten Oberflächenseite der ersten und zweiten Schicht eine den Spalt (14) überbrückende Bahn und/oder Schicht aus Kupfer vorgesehen ist.
11. Verbundmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (14) zwischen der ersten und zweiten Schicht sowie zwischen den beiden Teilen der Träger­ schicht (5) mit einem elektrisch isolierenden Material mit extrem geringer Leitfähigkeit und/oder hoher Span­ nungsfestigkeit ausgefüllt ist.
12. Elektrischer Schaltkreis, hergestellt unter Verwendung des Verbundmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Bauelemente und/oder Schalt­ kreise (7) mit geringer Leistung im Bereich der ersten Schicht (1, 1a) und Bauelemente und/oder Schaltkreise (3) höherer Leistung im Bereich der zweiten Schicht (3, 3a, 3b) vorgesehen sind.
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