EP3403266A1 - Bauelementsubstrat mit schutzfunktion und verfahren zur herstellung - Google Patents

Bauelementsubstrat mit schutzfunktion und verfahren zur herstellung

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Publication number
EP3403266A1
EP3403266A1 EP16784852.2A EP16784852A EP3403266A1 EP 3403266 A1 EP3403266 A1 EP 3403266A1 EP 16784852 A EP16784852 A EP 16784852A EP 3403266 A1 EP3403266 A1 EP 3403266A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
protective element
recess
component
metallic layer
support plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16784852.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Faistauer
Klaus-Dieter Aichholzer
Sebastian Brunner
Edmund Payr
Günter PUDMICH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP3403266A1 publication Critical patent/EP3403266A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors; Arresters
    • H01C7/123—Arrangements for improving potential distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/02—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure
    • H01C1/034—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure the housing or enclosure being formed as coating or mould without outer sheath
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/102—Varistor boundary, e.g. surface layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W42/00—Arrangements for protection of devices
    • H10W42/60—Arrangements for protection of devices protecting against electrostatic charges or discharges, e.g. Faraday shields
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/53—Means to assemble or disassemble
    • Y10T29/5313—Means to assemble electrical device

Definitions

  • the application relates to a substrate with a protective function for an electrical component and low overall height.
  • Varistors can be used to protect sensitive equipment, components and networks against ESD (Electro Static Discharge). These are non-linear components whose resistance drops sharply when a certain applied voltage is exceeded. Varistors are therefore suitable for safely dissipating overvoltage pulses. Varistors made of a zinc oxide ceramic with grain structure are produced.
  • Varistors can be integrated only with effort in multilayer ceramics and are therefore usually discrete
  • Discrete devices with varistor function or generally with ESD protection function are soldered directly onto a ceramic substrate, a leadframe, a circuit board or a circuit board and electrically connected to the device to be protected.
  • Object of the present invention is the integration of a protective function or a protective element in a
  • Carrier plates is common. On the underside of the main body external contacts and on the upper side pads for the device are provided.
  • a recess is provided according to the invention, in which the ESD element is at least partially embedded.
  • the electrical connections of the protective element are from the top or the
  • the protective element at the bottom the recess electrically contacted.
  • Connection between the protective element and the component can then extend over an inside in the main body
  • the protective element is in the recess by means of a
  • the protective element is with the pads on the
  • Top or the external contacts on the bottom of the body electrically connected via a structured metallic layer electrically connected via a structured metallic layer.
  • Such a support plate has the advantage that the protection ⁇ element can be embedded without great technical effort in the body.
  • the connecting means can be chosen so that it serves solely the mechanical fixation of the protective element in the recess.
  • a connection means is selected, which is compatible with later process ⁇ techniques, especially in the later
  • the connecting means thus acts like an adhesive that passes through a liquid or viscous phase at least once before or during the fixation of the protective element in the recess. It is not necessary that
  • Connecting means fills all remaining gaps between the protective element and the outer walls of the recess. It is sufficient to use the protective element in the To fix recess with the connecting means, which can be done via a fastening at a few points.
  • the total height of the support plate is not or only slightly increased. It is also possible, thereby flush surfaces between the base body and
  • a structured metallic layer for electrically connecting the protective element and pads.
  • Such a structured metallic layer can also be found in
  • a generally low thermal resistance of the combination base body plus protective element can be realized via a suitably chosen good heat conducting material for the base body.
  • the protective element can be any component which is designed to dissipate overvoltages.
  • the protective element is a varistor, but may also be a zener diode, a TVS component or another non-linear component.
  • a varistor is preferred because, on the one hand, it has a good discharge function on a relatively small component volume. On the other hand, a varistor is inexpensive and strong
  • the connecting means may be electrically insulating or
  • Plastic a ceramic material, glass or metal or comprises such a material. Preference is given to ceramic
  • a metallic one is suitable, which is suitable by melting the glass for fixed fixation of the protective element.
  • a metallic one is suitable, which is suitable by melting the glass for fixed fixation of the protective element.
  • Connecting means may be, for example, a solder whose melting point is set correspondingly high in order to survive the subsequent assembly of the device on the pads or not melt again under these conditions or at a reflow by self-centering (Seif alignment by surface tension) at least in position to be held.
  • the compound ⁇ medium may also be a plastic, which
  • thermoplastic resin can be selected according to temperature and process stability, for example, an epoxy resin or polyimide.
  • the protective element can terminate with the upper side of the base body and be electrically connected to the connection surfaces on the upper side.
  • the protective element with the underside of the body
  • the metallization level may be structured to a wiring level in the interconnections between
  • the wiring level can be provided to interconnect different components which can be mounted on the surface of the carrier plate.
  • Wiring level corresponding to conductor sections for integrated resistors, metallized surfaces for integrated capacitors or possibly curved or spiral conductor sections for the realization of integrated inductors is structured.
  • Layers of the multilayer main body may each comprise different dielectrics suitable for the integrated passive components.
  • Carrier plate can be arbitrary.
  • the recess is between the pads for the device or more advantageously under the pads provided for the component.
  • a component to be mounted later, which is seated on at least two connection surfaces, is then arranged at least partially over the protection element. This succeeds due to the fact that the protective element is sunk sufficiently deep into the main body, so that the supernatant of the protective element on the
  • Component corresponds to the surface of the body and thus does not hinder the assembly of the device.
  • connection surfaces of the carrier plate are formed from the structured metallic layer and can then directly above the
  • the protective element does not require an additional surface on the
  • the recess is formed so that it can accommodate at least the base of the protective element. Are the
  • the recess so that it can be produced technically with little effort.
  • Basic body are generated. Although this has a larger footprint than the protective element, but can be generated in a particularly simple manner and with great tolerance.
  • a recess is preferred which is laterally enclosed on four sides by the main body.
  • the protective element can also sit on the bottom of the recess.
  • the recess extends vertically through the entire base body.
  • Such a recess can be made by drilling, milling, etching or by thermal treatment, for example via a laser.
  • a carrier plate can be produced in a particularly cost effective manner.
  • the carrier plate has a multiplicity of component regions with corresponding connection surfaces and at least one respective recess.
  • einzelzelbar on each of which a component area is provided for one or more device.
  • At least the production of the recess and the application of the metallic structured layer can then in
  • Carrier plate can be made.
  • a carrier plate is a crystalline, ceramic, metallic or glass
  • the main body can also have a
  • a recess for receiving a protective element is produced in a surface of the base body. This can, as I said, done by drilling, milling, etching, sawing or thermal material removal. Subsequently, a protective element is at least partially embedded in the recess and mechanically fixed by means of a connecting means.
  • the fixation can be a thermal step
  • the connecting means is melted, sintered or thermally cured.
  • Main body and protective element resting structured metallic layer produced. This may be followed by the production of electrical pads for the device on top of the body.
  • the structured metallic layer can be applied in such a way that it overlaps with the terminals of the protective element and the connection surfaces on the base body and connects them in an electrically conductive manner.
  • the structured metallic layer is applied over the terminals of the protective element and thereby or later
  • the protective element is ground off from the upper side until the upper side of the protective element terminates flush with the upper side of the basic body.
  • This variant has the advantage that on the one hand, the exact depth of the recess is not critical and may also be less than the height of the protective element.
  • this variant has the advantage that the protective element may initially be present in a thickness at which it is mechanically stable and safe to process. After fixing in the recess, the protective element is then mechanically fixed so well that the actually expected by the grinding stability loss is not effective. The protective element can then be ground down to a height at which it is considered to be single
  • Generation of this layer comprises according to the invention at least one of the following steps:
  • the paste may already be electrically conductive in itself and be converted by curing into the final structured metallic layer.
  • Coarsely structured metallization can also be fine-structured by laser ablation.
  • a purely metallic structured layer may comprise a first sub-step in which a base metallization is applied from the gas phase, as in method step c).
  • This can be amplified in accordance with process step d) galvanically or de-energized.
  • the structuring can already be carried out on the basis of the base metallization by either surface areas not to be metallized are freed from the base metallization. Alternatively, the
  • Preferred application by printing may be by jet printing. It will be fine droplets of an electrically conductive particle
  • the Jetprinten can be done with high structural accuracy, so that the structured metallic layer also receives a high structural accuracy.
  • the speed of the print head can also be used to influence the thickness of the printed layer. It is also possible, several times over to
  • Figure 1 shows a schematic perspective plan view of a support plate, wherein the protective element in a
  • FIG. 2 shows a carrier plate m in schematic form
  • connection surfaces are arranged between two connection surfaces.
  • Figure 3 shows a schematic perspective plan view of a support plate, wherein the protective element under the
  • Pads is arranged.
  • FIG. 4 shows a main body with a continuous one
  • FIG. 5 shows, in a schematic perspective plan view, a carrier plate with a protective element arranged in a trench and adjacent to connection surfaces.
  • FIG. 6 shows a carrier plate with a trench-shaped recess below the connection surfaces.
  • FIG. 7 shows a protective element in perspective view and in cross section.
  • FIG. 8 shows a protective element in a perspective view and in cross section with respect to FIG. 7
  • Figures 9A and 9B show the carrier plate in one
  • FIG. 10 shows the arrangement after a processing step for planarizing the surface.
  • FIG. 11 shows the arrangement after the application of a structured metallization.
  • FIG. 12 shows a carrier plate in a schematic
  • FIG. 13 shows a cross section through a carrier plate together with a schematic perspective view.
  • Figure 14 shows a carrier plate mounted thereon
  • FIG. 1 shows a carrier plate TP according to the invention in a perspective plan view. It comprises a main body GK, which is made of a mechanically stable material, in particular of a ceramic.
  • the main body GK can be multi-layered. He points to the top
  • Connecting surfaces AF for a later to be mounted component On the underside, it has external contacts which are connected via plated-through holes (not shown in the figure) to the connection surfaces AF.
  • An ESD protection element SE is arranged in a recess on the upper side of the main body and fixed there. The connections of the
  • Protective element SE (not shown in the figure) are electrically conductively connected via a structured metallization SM to the adjacent connection surfaces AF on the main body GK.
  • a protective element designed as a varistor can measure dimensions of, for example, 466x446x80, 250x250x100, or in the smallest version (Ultra Small) 250x100x80 ym.
  • Metallization SM designed as a separate element. However, it is also possible to form connecting surfaces AF and the structured metallization in a common method step from the same metallic layer. It is also possible initially to produce the structured metallic layer SM and then only the connection surfaces AF.
  • the recess which receives the protective element SE is not shown separately here. In any case, it is sufficiently large to at least partially accommodate the protective element SE, so that it is at least partially sunk in the surface of the base ⁇ body GK. Preferably, the protective element SE is completely embedded in the main body GK. Although the protective element SE in the illustrated
  • Embodiment of Figure 1 is arranged in a introduced on the upper side OS of the body GK recess, it may also be arranged in a modification in a recess which is introduced into the underside of the body GK.
  • a structured metallization is the
  • Protective element then connected to the external contacts on the bottom, which in turn are connected via vias with the pads AF on the top of the body GK.
  • FIG. 2 shows a further embodiment in which the
  • Pads AF is disposed on the top of the body GK. Again, the connections of the
  • Protective element SE via a structured metallic layer SM electrically connected to the pads AF.
  • structured metallic layer and connection surfaces AF are applied separately from production and material, or alternatively as one-piece
  • Forming pad for the subsequent device Again, it is possible to project the top of the protective element SE over the top of the body GK, if the supernatant is low enough that he later
  • a supernatant may be up to a few 10ym.
  • a bump includes Terminal pad a total height of about 70 ym, so that the protective device could survive up to a height just below these 70 ym above the surface of the body.
  • FIG. 3 shows a further embodiment in which the
  • the protective element SE Recess with the protective element SE below the connection ⁇ surfaces AF is arranged.
  • the protective element SE is transverse to the pads
  • connection surfaces AF can be generated only after introduction and fixing of the protective element in the recess, so that the structured metallic layer on the
  • Protective element SE and parts of the body GK is applied in the form of two or more pads.
  • the recess AN can also deviate greatly from the size of the protective element SE, e.g. in terms of length, width and depth of the recess.
  • FIG. 4 shows a main body GK with a centrally mounted recess AN which extends from the upper side through the main body to the lower side of the body
  • the recess is here with vertical
  • FIG. 5 shows a further embodiment in which
  • Recess AN is here designed as a trench, which extends across the body GK with uniform width and depth.
  • Such a trench or such a trench-shaped recess AN can be produced in a simple manner with the aid of a milling cutter or a saw blade. With a saw blade can be in a simple way rectangular
  • Protective element SE are adapted.
  • the protective element itself does not extend over the entire trench length, but rather is aligned with the contact surfaces AF, with which it is electrically connected via a structured metallic layer SM.
  • structured metallic layer SM and pads AF may consist of the same material as well as of a uniform layer.
  • the embodiment according to FIG. 6 differs from the embodiment according to FIG. 5 only in that the trench-shaped recess AN leads underneath the connection surfaces AF.
  • the surface of the protective element terminates flush with the surface of the main body GK, since the connection surfaces AF then have to be applied over both surfaces.
  • the protective element SE is shown in the figures described as a rather planar formed with a relatively small height element. This can according to the invention in other than the illustrated orientations in the body
  • FIG. 7 shows on the left side a schematic
  • the varistor protection element SE has a multi-layer structure, in which between structured metal planes ME, as the
  • Electrode levels are used, layers of varistor ceramic are arranged.
  • the metal levels ME are alternately connected to electrical terminals A and B, which are connected to a
  • the metal levels ME are arranged vertically and the contacts on the side of the
  • Protective element SE attached to the metal planes cut the surface.
  • two electrode levels are shown in plan view.
  • the metal planes can be patterned so that they intersect near an edge of the protective element SE and are to be connected to the contact A, while on the same surface in the vicinity of
  • Figure 8 shows an arrangement of a multilayer
  • Protective element SE for example, a varistor, in which the metal planes ME transverse to the surface with the Terminals A and B extend and are aligned parallel to the surface of the carrier plate in the later attachment in the main body GK.
  • FIG. 8 a cross section through protective element SE and metal levels ME is again shown. From the figure it is clear that the metal layers ME are connected alternately with a kind of plated-through hole or a collecting contact, which connects all connected metal layers ME, each with a terminal A, B on the top of the protective element SE.
  • FIG. 9A shows an embodiment of the invention with reference to a schematic cross section through a carrier plate during a process step in the production.
  • Process stage may be applied on the bottom external contacts AK over the vias.
  • a recess AN is now produced which has a cross-section which is arbitrary, but preferably corresponding to the outer dimensions of the protective element SE.
  • a connecting means VM With the aid of a connecting means VM, a protective element SE will now be in the recess AN
  • FIG. 9B shows a corresponding arrangement in which the protective element SE is indeed embedded deeper in the recess AN, but for which residues of connection means VM protrude beyond the surface of the base body GK.
  • a planar surface is created, wherein the surface is mechanically processed and thereby planarized with the aid of a material removal process, which is illustrated by arrows in FIG. 9.
  • a material removal process which is illustrated by arrows in FIG. 9.
  • CMP chemically assisted mechanical polishing
  • the surface can also be milled flat.
  • Figure 10 shows the arrangement according to such
  • Body GK terminates, and in the compound ⁇ medium does not protrude beyond the gap between the protective element SE and body or swells.
  • Layer SM applied and structured so that they later pads AF of the support plate with electrical
  • Protection element SE is usually bipolar and even the associated pads AF are in even number, each terminal of the protective element SE can be connected by means of the structured metallic layer SM with a connection surface AF.
  • the patterned metallic layer SM is patterned to form a pad, one each
  • the structured metallic layer SM can be produced in the form of an electrically conductive paste, which is characterized by
  • Burning can be transferred directly into a good conductive electrode layer. It is also possible, metallic
  • the structured metallic layer SM from a base metallization that can be applied via the gas phase, which is subsequently connected by a galvanic or electroless method with a highly electrically conductive layer
  • Metal is reinforced.
  • Structuring can be done by free etching or laser ablation of the areas not to be coated. However, it is also possible to apply a mask to non-coated areas. This can be done before generating the
  • Base metallization are applied and patterned, or only after the generation of the base metallization.
  • the mask can be used together with the above-mentioned (lift-off method) or below
  • Base metallization are removed, so that a desired structuring, for example in the form of pads and connecting conductors is obtained to the terminals of the protective element SE.
  • a desired structuring for example in the form of pads and connecting conductors is obtained to the terminals of the protective element SE.
  • conductive metals such as copper, nickel or gold or palladium can be used.
  • FIG. 12 shows a schematic plan view of one
  • Partially overlap protection element SE which is arranged below the pads AF. Due to the overlap is simultaneously an electrical contact with the
  • the dashed line indicates the base area of a metallization plane ME of the terminal B connected to the terminal B
  • Protective element SE indicated.
  • the metallization levels are alternately connected to the terminals A and B of the protective element SE.
  • FIG. 13 shows, in a combined representation, a cross section through a carrier plate at a process stage in the production according to FIG. 13
  • the section is through the base body GK, the throughput contacts DK, out the protective element SE and the terminal contacts ⁇ AK.
  • electrical connections A and B of the protective element SE are electrical connections A and B of the protective element SE.
  • the vias DK connect the
  • connection surfaces AF Connected pad associated via DK.
  • the external contacts AK represent the underlying electrical connection for the connection surfaces AF arranged on the top side or for the protective element SE and the component to be mounted later on the connection surfaces AF.
  • FIG. 14 shows, with reference to a schematic cross section, a carrier plate in which an electrical component BE is applied to the connection surfaces AF, which may be formed from the structured metallic layer SM.
  • an electrically conductive connection between the terminals of the device and the pad AF of the carrier plate can For example, a bump connection can be used.
  • the component BE is, for example, an LED, which is applied to the surface of a ceramic base body in which a varistor is embedded as a protective element SE and connected to the connection surfaces AF.
  • the protective element SE is then connected in parallel to the terminals of the component BE and the LED, so that they are protected against high current surges, as may occur, for example, in an electrostatic discharge (ESD).
  • ESD electrostatic discharge
  • the protective element SE can dissipate current spikes current- or voltage-dependent harmless, thereby creating a short circuit, so that the component BE or the LED can not be damaged by the overvoltage.
  • the recess may be arranged arbitrarily on the upper side or lower side of the main body GK or even extend through the entire base body.
  • the recess can be guided to any depth of the body and is preferably such that the mechanical stability of the body does not suffer.
  • the number of pads AF is preferably two, but may be larger. There may be several pads connected to the same terminal of the protection element. It can also provide pads for more than one
  • the structured metallic layer may consist of a
  • Terminal surface or as a combined connection and
  • Pad or alone as a pad in direct contact with the terminals of the protective element may be formed.
  • the number of plated-through holes DK corresponds at least to the number of connection surfaces provided and connected to the protective element SE, but is preferably chosen to be larger in order to ensure a low-loss or loss-free electrical connection of the top and bottom sides of the carrier plate.
  • the protective element can fit into the recess
  • the remaining joint can be filled in a later processing step with any filling material, in particular with an insulating material and, for example, with a moldable mass. This can be done later
  • the main body can be executed cuboid and flat.
  • the main body can have a plurality of component regions, of which only one is shown in the figures, which exactly corresponds to a carrier for a component BE.
  • a carrier can also carry several components BE or Have pads for multiple components.
  • a protective element may be provided. However, it is also possible to interconnect several components in parallel with a protective element.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

Einmechanisch stabiler Grundkörperweist eine Ausnehmung auf, in die ein ESD Schutzelement zumindest teilweise eingebettetundmittels eines Verbindungsmittelsmechanisch fixiert ist. Elektrische Anschlüsse des Schutzelements sind über eine auf Grundkörperund Schutzelement aufliegende strukturierte metallische Schichtmit Anschlussflächen auf der Oberseite des Grundkörpers verbunden.

Description

Beschreibung
Bauelementsubstrat mit Schutzfunktion und Verfahren zur Herstellung
Die Anmeldung betrifft ein Substrat mit einer Schutzfunktion für ein elektrisches Bauelement und niedriger Bauhöhe.
Zum Schutz von empfindlichen Anlagen, Bauelementen und Netzen gegen ESD (Electro Static Discharge) können Varistoren eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um nicht-lineare Bauelemente, deren Widerstand bei Überschreiten einer bestimmten angelegten Spannung stark absinkt. Varistoren sind daher geeignet, Überspannungspulse unschädlich abzuleiten. Hergestellt werden Varistoren aus einer Zinkoxidkeramik mit Kornstruktur .
Varistoren lassen sich nur mit Aufwand in Mehrlagenkeramiken integrieren und werden daher üblicherweise als diskrete
Bauelemente eingesetzt.
Diskrete Varistoren haben dagegen im Wesentlichen
geometrische Vorteile, z.B. können sie sehr dünn gefertigt werden. Dies erhöht allerdings die Bruchgefahr für die
Paneele.
Diskrete Bauelemente mit Varistorfunktion oder allgemein mit ESD Schutzfunktion werden direkt auf ein Keramiksubstrat, ein Leadframe, eine Platine oder eine Leiterplatte aufgelötet und elektrisch mit dem zu schützenden Bauelement verbunden.
Möglich ist es auch, solche Schutzelemente in ein Laminat während dessen Herstellung zu integrieren. Weiter ist es möglich, das Schutzelement in einer Ausnehmung des Substrats, der Trägerplatte oder des Laminats so zu platzieren, dass anderen elektrisch leitenden Strukturen benachbart ist, die zur Verbindung mit weiteren Bauelementen vorgesehen sind. Dies führt zwar zu einer geringen
Bauelementhöhe, erfordert aber ausreichend Bestückungsfläche.
Möglich ist es auch, eine Varistorkeramik als
Bauelementsubstrat zu verwenden und die Schutzfunktion in das Substrat zu integrieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Integration einer Schutzfunktion oder eines Schutzelements in ein
elektrisches Bauelement weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Trägerplatte mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Trägerplatte sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird eine Trägerplatte vorgeschlagen, die einen mechanisch stabilen Grundkörper aufweist, wie er etwa für bekannte
Trägerplatten üblich ist. Auf der Unterseite des Grundkörpers sind Außenkontakte und auf der Oberseite Anschlussflächen für das Bauelement vorgesehen.
Zur Platzierung eines ESD-Schutzelements ist erfindungsgemäß eine Ausnehmung vorgesehen, in die das ESD-Element zumindest teilweise eingebettet ist. Die elektrischen Anschlüsse des Schutzelements sind dabei von der Oberseite oder der
Unterseite des Grundkörpers her zugänglich. In einer
alternativen Ausführungsform wird das Schutzelement am Boden der Ausnehmung elektrisch kontaktiert. Die elektrische
Verbindung zwischen Schutzelement und dem Bauelement kann dann über eine innen im Grundkörper verlaufende
Metallisierung erfolgen. Möglich ist es auch, entsprechende Anschlüsse über Vias auf die Oberfläche des Grundkörpers zu führen .
Das Schutzelement ist in der Ausnehmung mittels eines
Verbindungsmittels mechanisch fixiert. Die Fixierung kann an nur wenigen Punkten vorgenommen sein.
Das Schutzelement ist mit den Anschlussflächen auf der
Oberseite oder den Außenkontakten auf der Unterseite des Grundkörpers über eine strukturierte metallische Schicht elektrisch verbunden.
Eine solche Trägerplatte hat den Vorteil, dass das Schutz¬ element ohne großen technischen Aufwand in den Grundkörper eingebettet werden kann. Das Verbindungsmittel kann so gewählt werden, dass es allein der mechanischen Fixierung des Schutzelements in der Ausnehmung dient. Vorzugsweise wird ein Verbindungsmittel gewählt, welches mit späteren Prozess¬ techniken kompatibel ist, insbesondere bei der späteren
Montage eines Bauelements auf die Anschlussflächen,
insbesondere durch Auflöten.
Das Verbindungsmittel fungiert also wie ein Klebstoff, der vor oder während der Fixierung des Schutzelements in der Ausnehmung zumindest einmal eine flüssige oder viskose Phase durchläuft. Es ist nicht erforderlich, dass das
Verbindungsmittel sämtliche verbleibenden Zwischenräume zwischen Schutzelement und den Außenwänden der Ausnehmung ausfüllt. Es ist ausreichend, das Schutzelement in der Ausnehmung mit dem Verbindungsmittel zu fixieren, was über eine Befestigung an wenigen Punkten erfolgen kann.
Durch die zumindest teilweise Einbettung des Schutzelements in den Grundkörper wird die Gesamthöhe der Trägerplatte nicht oder nur unwesentlich erhöht. Außerdem ist es möglich, dadurch bündige Oberflächen zwischen Grundkörper und
Schutzelement zu schaffen, auf die in einfacher Weise eine strukturierte metallische Schicht zum elektrischen Verbinden von Schutzelement und Anschlussflächen erfolgen kann. Eine solche strukturierte metallische Schicht kann auch in
einfacher Weise über die beiden Oberflächen von Grundkörper und Schutzelement aufgebracht sein oder werden, wenn eine nur geringe Stufenhöhe beiden Oberflächen zu überwinden ist.
Die Anordnung des Schutzelements in der Ausnehmung hat den weiteren Vorteil, dass die Positionierung des Schutzelements mit großer Toleranz erfolgen kann und nicht passgenau
vorgenommen werden muss. Zusätzlich kann über ein geeignet gewähltes gut wärmeleitendes Material für den Grundkörper ein insgesamt nur geringer thermischer Widerstand der Kombination Grundkörper plus Schutzelement realisiert werden.
Das Schutzelement kann ein beliebiges Bauelement sein, welches zur Ableitung von Überspannungen ausgelegt ist.
Vorzugsweise ist das Schutzelement ein Varistor, kann aber auch eine Zehnerdiode, ein TVS-Bauelement oder ein anderes nicht lineares Bauelement sein.
Ein Varistor ist bevorzugt, weil er zum Einen auf relativ geringem Bauelementvolumen eine gute Ableitfunktion aufweist. Zum Anderen ist ein Varistor kostengünstig und stark
miniaturisierbar, sodass sich das Gesamtvolumen der Trägerplatte durch das eingebettete Schutzelement nicht oder nur unwesentlich erhöht.
Das Verbindungsmittel kann elektrisch isolierend oder
elektrisch leitend sein. Es ist ausgewählt aus einem
Kunststoff, einem keramischen Material, Glas oder Metall bzw. umfasst ein solches Material. Bevorzugt sind keramische
Materialien, die in Pastenform eingesetzt und schließlich eingesintert werden können. Auch eine Glasfritte ist
geeignet, die sich durch Aufschmelzen des Glases zur festen Fixierung des Schutzelements eignet. Ein metallisches
Verbindungsmittel kann beispielsweise ein Lot sein, dessen Schmelzpunkt entsprechend hoch eingestellt ist, um die spätere Montage des Bauelements auf den Anschlussflächen zu überstehen bzw. um bei diesen Bedingungen nicht wieder aufzuschmelzen oder bei einem Aufschmelzen durch Selbstzentrierung ( Seif-Alignment durch Oberflächenspannung) zumindest in Position gehalten zu werden. Das Verbindungs¬ mittel kann jedoch auch ein Kunststoff sein, welcher
entsprechend temperatur- und prozessstabil ausgewählt sein kann, beispielsweise eine Epoxyharz oder Polyimid.
Eine besonders einfache Herstellung gelingt, wenn die nach außen weisende Oberfläche des Schutzelements bündig mit einer Oberfläche des Grundkörpers abschließt. Dann kann die
metallische Schicht auf beiden Oberflächen ohne Stufenbildung aufliegen und daher besonders einfach aufgebracht werden.
Das Schutzelement kann mit der Oberseite des Grundkörpers abschließen und elektrisch mit den Anschlussflächen auf der Oberseite verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, dass das Schutzelement mit der Unterseite des Grundkörpers
abschließt und dann mit den Außenkontakten des Grundkörpers über die metallisch strukturierte Schicht verbunden ist. Da Außenkontakte und Anschlussflächen zumindest über
Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden sind, ist eine Verschaltung des Schutzelements mit den
Außenkontakten gleichwirkend wie eine Verschaltung mit den Anschlussflächen auf der Oberseite des Grundkörpers.
Außenkontakte und Anschlussflächen können direkt über
Durchkontaktierungen verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, einen mehrschichtigen Grundkörper vorzusehen, der zumindest eine innenliegende Metallisierungsebene aufweist. Die Metallisierungsebene kann zu einer Verdrahtungsebene strukturiert sein, in der Verschaltungen zwischen
unterschiedlichen Anschlussflächen bzw. Außenkontakten vorgesehen sind. Die Verdrahtungsebene kann dazu vorgesehen sein, unterschiedliche auf der Oberfläche der Trägerplatte montierbare Bauelemente miteinander zu verschalten.
Möglich ist es auch, Bauelemente in den mehrschichtigen
Aufbau des Grundkörpers zu integrieren, indem die
Verdrahtungsebene entsprechend zu Leiterabschnitten für integrierte Widerstände, zu metallisierten Flächen für integrierte Kapazitäten oder zu gegebenenfalls gekrümmten oder spiralförmigen Leiterabschnitten zur Realisierung von integrierten Induktivitäten strukturiert wird. Einzelne
Schichten des mehrschichtigen Grundkörpers können jeweils verschiedene für die integrierten passiven Bauelemente geeignete Dielektrika umfassen. Die Anordnung der Ausnehmung auf der Oberfläche der
Trägerplatte kann beliebig erfolgen. Vorzugsweise ist die Ausnehmung jedoch zwischen den Anschlussflächen für das Bauelement oder noch vorteilhafter unter den Anschlussflächen für das Bauelement vorgesehen. Ein später zu montierendes Bauelement, welches auf zumindest zwei Anschlussflächen aufsitzt, ist dann zumindest teilweise über dem Schutzelement angeordnet. Dies gelingt aufgrund der Tatsache, dass das Schutzelement ausreichend tief in den Grundkörper versenkt ist, sodass der Überstand des Schutzelements über die
Oberfläche des Grundkörpers maximale dem Abstand des
Bauelements über der Oberfläche des Grundkörpers entspricht und die Montage des Bauelements somit nicht behindert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Anschlussflächen der Trägerplatte aus der strukturierten metallischen Schicht ausgebildet und können dann direkt über dem
Schutzelement und den benachbarten Oberfläche des
Grundkörpers aufgebracht werden. Auf diese Weise benötigt das Schutzelement keine zusätzliche Oberfläche auf dem
Grundkörper, sodass eine lateral benachbarte Anordnung von Schutzelement und Bauelement nicht erforderlich ist und dessen Grundfläche eingespart werden kann.
Die Ausnehmung ist so ausgebildet, dass sie zumindest die Grundfläche des Schutzelements aufnehmen kann. Sind die
Grundflächen von Schutzelement und Ausnehmung einander optimal angepasst, so führt dies zu einem minimalen
Flächenbedarf für die Ausnehmung bzw. für das Schutzelement. Ein weiterer Vorteil einer optimalen Anpassung ist die einfache Fixierung, die bei geringer Toleranz nur wenig
Verbindungsmittel bzw. nur wenig Verbindungspunkte erfordert.
Möglich ist es jedoch auch, die Ausnehmung so zu gestalten, dass sie technisch mit wenig Aufwand hergestellt werden kann. In einfacher Weise ist die Ausnehmung z. B. eingesägt oder eingefräst. Besonders einfach kann ein über den gesamten Grundkörper reichender Graben durch Einsägen in den
Grundkörper erzeugt werden. Dieser weist zwar eine größere Grundfläche als das Schutzelement auf, kann dafür aber in besonders einfacher Weise und mit großer Toleranz erzeugt werden.
Bezüglich der mechanischen Festigkeit ist eine Ausnehmung bevorzugt, die lateral auf vier Seiten vom Grundkörper umschlossen ist.
Ist die Tiefe der Ausnehmung geringer als die Dicke des
Grundkörpers, so kann das Schutzelement auch auf dem Boden der Ausnehmung aufsetzen. Möglich ist es jedoch auch, dass die Ausnehmung vertikal durch den gesamten Grundkörper hindurch reicht. Eine solche Ausnehmung kann durch Bohren, Fräsen, Ätzen oder durch thermische Behandlung, beispielsweise über einen Laser, hergestellt werden.
Besonders kostengünstig kann eine Trägerplatte im Nutzen hergestellt werden. Dazu weist die Trägerplatte eine Vielzahl von Bauelementbereichen mit entsprechenden Anschlussflächen und zumindest jeweils einer Ausnehmung auf. In jeder
Ausnehmung ist dann ein Schutzelement vorgesehen, sodass die Trägerplatte später in eine Vielzahl einzelner Träger
vereinzelbar ist, auf denen jeweils ein Bauelementbereich für ein oder mehrere Bauelement vorgesehen ist.
Zumindest die Herstellung der Ausnehmung und das Aufbringen der metallischen strukturierten Schicht kann dann in
einfacher Weise integriert für die gesamte großflächige
Trägerplatte vorgenommen werden. Die Bestückung mit
Schutzelementen ist auf einer großflächigen Trägerplatte ebenfalls erleichtert. Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Trägerplatte wird ein kristalliner, keramischer, metallischer oder gläserner
Grundkörper vorgesehen. Der Grundkörper kann auch einen
Schichtaufbau aufweisen, in dem unterschiedliche Materialien für die einzelnen Schichten verarbeitet sind.
Im nächsten Schritt wird in einer Oberfläche des Grundkörpers eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Schutzelements erzeugt. Dies kann, wie gesagt, durch Bohren, Fräsen, Ätzen, Sägen oder thermische Materialabtragung erfolgen. Anschließend wird ein Schutzelement zumindest teilweise in die Ausnehmung eingebettet und mittels eines Verbindungsmittels mechanisch fixiert. Die Fixierung kann einen thermischen Schritt
umfassen, bei dem das Verbindungsmittel aufgeschmolzen, gesintert oder thermisch gehärtet wird.
Im nächsten Schritt wird eine auf der Oberfläche von
Grundkörper und Schutzelement aufliegende strukturierte metallische Schicht erzeugt. Daran kann sich die Herstellung elektrischer Anschlussflächen für das Bauelement auf der Oberseite des Grundkörpers anschließen.
Die strukturierte metallische Schicht kann so aufgebracht werden, dass sie mit den Anschlüssen des Schutzelements und den Anschlussflächen auf dem Grundkörper überlappt und diese dabei elektrisch leitend verbindet. Alternativ wird die strukturierte metallische Schicht über den Anschlüssen des Schutzelements aufgebracht und dabei oder später zu
Anschlussflächen für die spätere Aufbringung des Bauelements ausgebildet . In einer Verfahrensvariante wird das Schutzelement nach der Fixierung in der Ausnehmung und vor dem Aufbringen der strukturierten metallischen Schicht von der Oberseite her so weit abgeschliffen, bis die Oberseite des Schutzelements bündig mit der Oberseite des Grundkörpers abschließt. Diese Variante hat den Vorteil, dass zum einen die genaue Tiefe der Ausnehmung unkritisch ist und auch geringer sein kann als die Höhe des Schutzelements. Zum anderen hat diese Variante den Vorteil, dass das Schutzelement zunächst in einer Dicke vorliegen kann, bei der es mechanisch stabil und sicher verarbeitbar ist. Nach dem Fixieren in der Ausnehmung ist das Schutzelement dann mechanisch so gut fixiert, dass der durch das Abschleifen eigentlich zu erwartende Stabilitätsverlust nicht wirksam wird. Das Schutzelement kann dann bis auf eine Höhe abgeschliffen werden, bei der es als einzeln
verarbeitbares Bauelement nicht mehr handhabbar bzw. nicht mehr mechanisch stabil wäre. Dadurch wird das für das
Schutzelement erforderliche Volumen minimiert. Auch die mechanische Stabilität des Grundkörpers wird durch das
Erzeugen der Ausnehmung mit geringerer Tiefe weniger stark beeinträchtigt als durch eine Ausnehmung, die zur Aufnahme eines Schutzelements mit herkömmlicher Bauhöhe erforderlich ist. Natürlich wird dabei auch der Vorteil einer ebener und bündig abschließender Oberflächen von Grundkörper und
Schutzelement erzielt.
Auf bündigen Oberflächen lässt sich die strukturierte
metallische Schicht in einfacher Weise aufbringen. Das
Erzeugen dieser Schicht umfasst erfindungsgemäß zumindest einen der folgenden Schritte:
a) Aufdrucken einer elektrisch leitfähigen Masse,
b) Einbrennen einer elektrisch leitenden Paste, c) Aufbringen einer Grundmetallisierung aus der Gasphase, z.B. durch Aufdampfen oder Aufsputtern
d) Galvanisches Verstärken einer Grundmetallisierung, e) Jetprinten einer elektrisch leitfähige Partikel
enthaltenden Tinte.
Das Aufdrucken gemäß Verfahrensvariante a) kann
beispielsweise mittels Siebdrucks erfolgen. Die Paste kann für sich bereits elektrisch leitfähig sein und durch Härten in die endgültige strukturierte metallische Schicht überführt werden. Möglich ist es jedoch auch, die aufgedruckte Masse gemäß Verfahrensschritt b) einzubrennen und dabei einen
Binder zu entfernen oder möglicherweise enthaltene elektrisch leitfähige Partikel durch Sintern miteinander in Verbindung zu bringen. Eine grob strukturierte Metallisierung kann auch durch Laserablation feinstrukturiert werden.
Eine rein metallische strukturierte Schicht kann einen ersten Teilschritt umfassen, in dem eine Grundmetallisierung aus der Gasphase aufgebracht wird, wie in Verfahrensschritt c) .
Dieser kann gemäß Verfahrensschritt d) galvanisch oder stromlos verstärkt werden. Die Strukturierung kann dabei bereits auf der Basis der Grundmetallisierung erfolgen, indem entweder nicht zu metallisierende Oberflächenbereiche von der Grundmetallisierung befreit werden. Alternativ wird die
Grundmetallisierung und/oder insbesondere die spätere
Verstärkung maskiert aufgebracht, sodass die metallische Schicht nach dem Entfernen der Maske fertig strukturiert ist. Die Aufbringverfahren mittels Druckens gemäß der Varianten a) und e) führen bereits durch den Druckvorgang zu einer
entsprechenden Strukturierung. Eine bevorzugte Aufbringung durch Drucken kann durch Jetprinten erfolgen. Dabei werden feine Tröpfchen einer elektrisch leitfähige Partikel
enthaltenden Tinte mit einem entsprechenden Druckkopf auf die Oberfläche aufgeschleudert . Das Jetprinten kann mit hoher Strukturgenauigkeit erfolgen, sodass die strukturierte metallische Schicht ebenfalls eine hohe Strukturgenauigkeit erhält. Über die Vortriebsgeschwindigkeit des Druckkopfes kann auch die Dicke der aufgedruckten Schicht beeinflusst werden. Möglich ist es auch, mehrfach über die zu
beschichtenden Oberflächenbereiche zu fahren und dadurch die Schichtdicke der aufgedruckten Schicht zu erhöhen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch und daher nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Zur besseren Anschaulichkeit können auch einzelne Teile in den Figuren weggelassen sein. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt in schematischer perspektivischer Draufsicht eine Trägerplatte, bei der das Schutzelement in einer
Ausnehmung benachbart zu den Anschlussflächen angeordnet ist.
Figur 2 zeigt eine Trägerplatte m schematischer
perspektivischer Draufsicht, bei der ein Schutzele
zwischen zwei Anschlussflächen angeordnet ist.
Figur 3 zeigt in schematischer perspektivischer Draufsicht eine Trägerplatte, bei der das Schutzelement unter den
Anschlussflächen angeordnet ist.
Figur 4 zeigt einen Grundkörper mit durchgehender
Ausnehmung in perspektivischer Ansicht. Figur 5 zeigt in schematischer perspektivischer Draufsicht eine Trägerplatte mit in einem Graben und benachbart zu Anschlussflächen angeordnetem Schutzelement. Figur 6 zeigt eine Trägerplatte mit einer grabenförmigen Ausnehmung unterhalb der Anschlussflächen.
Figur 7 zeigt ein Schutzelement in perspektivischer Ansicht und im Querschnitt.
Figur 8 zeigt ein Schutzelement in perspektivischer Ansicht und im Querschnitt mit gegenüber Figur 7 veränderter
Orientierung . Figuren 9A und 9B zeigen die Trägerplatte in einer
Verfahrensstufe nach der Fixierung des Schutzelements in der Ausnehmung wie sie in zwei unterschiedlichen
Verfahrensvarianten erhalten werden kann. Figur 10 zeigt die Anordnung nach einem Bearbeitungsschritt zur Planarisierung der Oberfläche.
Figur 11 zeigt die Anordnung nach der Aufbringung einer strukturierten Metallisierung.
Figur 12 zeigt eine Trägerplatte in schematischer
Draufsicht .
Figur 13 zeigt einen Querschnitt durch eine Trägerplatte samt schematischer perspektivischer Ansicht.
Figur 14 zeigt eine Trägerplatte mit darauf montiertem
Bauelement . Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Trägerplatte TP in perspektivischer Draufsicht. Sie umfasst einen Grundkörper GK, der aus einem mechanisch stabilen Material angefertigt ist, insbesondere aus einer Keramik. Der Grundkörper GK kann mehrlagig ausgebildet sein. Er weist auf der Oberseite
Anschlussflächen AF für ein später zu montierendes Bauelement auf. Auf der Unterseite weist er Außenkontakte auf, die über Durchkontaktierungen (in der Figur nicht dargestellt) mit den Anschlussflächen AF verbunden sind. Ein ESD-Schutzelement SE ist in einer Ausnehmung auf der Oberseite des Grundkörpers angeordnet und dort fixiert. Die Anschlüsse des
Schutzelements SE (in der Figur nicht dargestellt) sind über eine strukturierte Metallisierung SM mit den benachbarten Anschlussflächen AF auf dem Grundkörper GK elektrisch leitend verbunden. Je nach Ausführung mit und ohne Innenelektroden kann ein als Varistor ausgebildetes Schutzelement Abmessungen von Beispielsweise 466x446x80, 250x250x100, oder in der kleinsten Ausführung (Ultra Small) 250x100x80 ym betragen.
In der gezeigten Ausführung ist die strukturierte
Metallisierung SM als separates Element ausgeführt. Möglich ist es jedoch auch, Anschlussflächen AF und die strukturierte Metallisierung in einem gemeinsamen Verfahrensschritt aus der gleichen metallischen Schicht auszubilden. Möglich ist es auch, zunächst die strukturierte metallische Schicht SM und dann erst die Anschlussflächen AF zu erzeugen.
Die Ausnehmung, die das Schutzelement SE aufnimmt, ist hier nicht separat dargestellt. Sie ist auf jeden Fall ausreichend groß, das Schutzelement SE zumindest teilweise aufzunehmen, sodass es zumindest teilweise in der Oberfläche des Grund¬ körpers GK versenkt ist. Vorzugsweise ist das Schutzelement SE vollständig in den Grundkörper GK eingebettet. Obgleich das Schutzelement SE in der dargestellten
Ausführungsform von Figur 1 in einer auf der Oberseite OS des Grundkörpers GK eingebrachten Ausnehmung angeordnet ist, kann es in einer Abwandlung auch in einer Ausnehmung angeordnet sein, die in der Unterseite des Grundkörpers GK eingebracht ist. Über eine strukturierte Metallisierung ist das
Schutzelement dann mit den Außenkontakten auf der Unterseite verbunden, die wiederum über Durchkontaktierungen mit den Anschlussflächen AF auf der Oberseite des Grundkörpers GK verbunden sind.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die
Ausnehmung mit dem Schutzelement SE zwischen zwei
Anschlussflächen AF auf der Oberseite des Grundkörpers GK angeordnet ist. Auch hier sind die Anschlüsse des
Schutzelements SE über eine strukturierte metallische Schicht SM mit den Anschlussflächen AF elektrisch leitend verbunden. Auch hier gilt, dass strukturierte metallische Schicht und Anschlussflächen AF von Herstellung und Material her getrennt aufgebracht werden, oder alternativ als einstückige
strukturierte metallische Schicht gleichzeitig die
Anschlussfläche für das spätere Bauelement ausbildet. Auch hier ist es möglich, die Oberseite des Schutzelements SE über die Oberseite des Grundkörpers GK vorstehen zu lassen, sofern der Überstand gering genug ist, dass er die spätere
Befestigung eines Bauelements BE auf den Anschlussflächen AF nicht behindert. Wird dazu eine Bumpverbindung eingesetzt, so kann ein Überstand bis zu einigen 10ym betragen. In einer beispielhaften Ausführung weist ein Bump inklusive Anschlusspad eine Gesamthöhe von ca. 70 ym auf, so dass das Schutzbauelement bis zu einer Höhe knapp unter diesen 70 ym über die Oberfläche des Grundkörpers überstehen könnte. Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die
Ausnehmung mit dem Schutzelement SE unterhalb der Anschluss¬ flächen AF angeordnet ist. In der dargestellten Ausführung ist das Schutzelement SE quer zu den Anschlussflächen
orientiert, kann aber jede beliebige Mischform von teilweiser oder vollständiger Überlappung ausbilden, ohne von der
Erfindung abzuweichen. In diesem Fall ist klar, dass die Anschlussflächen AF erst nach Einbringen und Fixieren des Schutzelements in die Ausnehmung erzeugt werden können, sodass die strukturierte metallische Schicht über das
Schutzelement SE und Teile des Grundkörpers GK in Form von zwei oder mehr Anschlussflächen aufgebracht wird.
Während die Ausführungen gemäß der Figuren 1 bis 3 an die Größe des Schutzelements SE angepasste Ausnehmungen
aufweisen, kann die Ausnehmung AN auch stark von der Größe des Schutzelements SE abweichen, z.B. bezüglich Länge, Breite und Tiefe der Ausnehmung.
Figur 4 beispielsweise zeigt einen Grundkörper GK mit einer zentral angebrachten Ausnehmung AN, die von der Oberseite durch den Grundkörper hindurch bis zur Unterseite des
Grundkörpers reicht. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass bei ausreichender mechanischer Stabilität des
Grundkörpers und ausreichender Miniaturisierbarkeit des Schutzelements SE eine Flächen sparende Ausführung erhalten wird. Die Ausnehmung ist hier zwar mit vertikalen
Seitenwänden und rechtwinkligen Kanten ausgeführt, kann jedoch auch davon abweichend schräge Seitenwände und
gerundete oder anderweitig geformte Ecken aufweisen.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der zur
Herstellung der Ausnehmung AN ein besonders einfach
durchzuführendes Verfahren eingesetzt werden kann. Die
Ausnehmung AN ist hier als ein Graben ausgeführt, der quer über den Grundkörper GK mit einheitlicher Breite und Tiefe reicht. Ein solcher Graben bzw. eine solche grabenförmige Ausnehmung AN kann in einfacher Weise mit Hilfe einer Fräse oder eines Sägeblatts erzeugt werden. Mit einem Sägeblatt lassen sich auch in einfacher Weise rechteckige
Grabenquerschnitte erzeugen, die den Außenmaßen des
Schutzelements SE angepasst sind. Das Schutzelement selbst erstreckt sich nicht über die gesamte Grabenlänge, sondern ist eher passend zu den Anschlussflächen AF ausgerichtet, mit denen es über eine strukturierte metallische Schicht SM elektrisch verbunden ist. Auch hier können strukturierte metallische Schicht SM und Anschlussflächen AF aus dem gleichen Material als auch aus einer einheitlichen Schicht bestehen .
Die Ausführungsform gemäß Figur 6 unterscheidet sich von der Ausführung nach Figur 5 nur dadurch, dass die grabenförmige Ausnehmung AN unter den Anschlussflächen AF hindurch führt. In dieser Ausführung ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Schutzelements bündig mit der Oberfläche des Grundkörpers GK abschließt, da die Anschlussflächen AF anschließend über beide Oberflächen hinweg aufgebracht werden müssen.
Das Schutzelement SE ist in den beschriebenen Figuren als eher flächig mit relativ geringer Höhe ausgebildetes Element dargestellt. Dieses kann erfindungsgemäß auch in anderen als den dargestellten Orientierungen in dem Grundkörper
eingebettet sein und dort z.B. hochkant orientiert sein, so dass es normal zur Oberfläche steht. Figur 7 zeigt auf der linken Seite eine schematische
perspektivische Darstellung eines Schutzelements SE, welches beispielsweise als Varistor ausgebildet ist. Das Varistor- Schutzelement SE weist einen Mehrschichtaufbau auf, bei dem zwischen strukturierten Metallebenen ME, die als
Elektrodenebenen dienen, Schichten aus Varistorkeramik angeordnet sind. Die Metallebenen ME sind alternierend mit elektrischen Anschlüssen A und B verbunden, die an eine
Oberfläche des Schutzelements SE geführt sind. In der dargestellten Ausführung sind die Metallebenen ME vertikal angeordnet und die Kontakte auf der Seite des
Schutzelements SE angebracht, an der die Metallebenen die Oberfläche schneiden. Im rechten Teil der Darstellung sind zwei Elektrodenebenen in der Draufsicht dargestellt. Die Metallebenen können so strukturiert werden, dass sie in der Nähe einer Kante des Schutzelements SE dessen Oberfläche schneiden und dort mit dem Kontakt A zu verbinden sind, während auf der gleichen Oberfläche in der Nähe der
gegenüberliegenden Kante nur Metallebenen die Oberfläche schneiden, die mit dem Kontakt B verbunden werden. Dies erleichtert die Kontaktierung des zweipoligen Bauelements. Die elektrischen Anschlüsse des Schutzelements SE können jeoch auch in anderer Weise mit den Metallebenen ME verbunden sein .
Figur 8 zeigt eine Anordnung eines mehrschichtigen
Schutzelements SE, beispielsweise eines Varistors, bei dem die Metallebenen ME quer zu der Oberfläche mit den Anschlüssen A und B verlaufen und in der späteren Befestigung im Grundkörper GK parallel zur Oberfläche der Trägerplatte ausgerichtet sind. Im rechten Teil der Figur 8 ist wieder ein Querschnitt durch Schutzelement SE und Metallebenen ME dargestellt. Aus der Figur wird klar, dass die Metallebenen ME alternierend mit einer Art Durchkontaktierung oder einem Sammelkontakt verbunden sind, welcher alle damit verbundenen Metallebenen ME mit jeweils einem Anschluss A, B auf der Oberseite des Schutzelements SE verbindet.
Figur 9A zeigt eine Ausführungsform der Erfindung anhand eines schematischen Querschnitts durch eine Trägerplatte während einer Verfahrensstufe bei der Herstellung. Der
Grundkörper GK der Trägerplatte ist bereits mit
Durchkontaktierungen DK versehen, die eine obere Mündung auf der Oberseite mit einer unteren Mündung auf der Unterseite des Grundkörpers GK verbinden. Bereits in einer frühen
Verfahrensstufe können auf der Unterseite Außenkontakte AK über den Durchkontaktierungen aufgebracht sein.
In der Oberseite des Grundkörpers GK wird nun eine Ausnehmung AN erzeugt, die einen an sich beliebigen, vorzugsweise jedoch den Außenabmessungen des Schutzelements SE entsprechenden Querschnitt aufweisen. Mit Hilfe eines Verbindungsmittels VM wird nun ein Schutzelement SE so in der Ausnehmung AN
platziert, dass es nicht oder nur wenig über die Oberfläche des Grundkörpers GK hinausragt. Ein beispielsweise in die Ausnehmung AN eingebrachte Verbindungsmittel VM wird beim Einsetzen des Schutzelements SE verdrängt und kann nach oben aus der Fuge austreten und dort wie in der Figur dargestellt einen Wulst ausbilden. Figur 9B zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der das Schutzelement SE zwar tiefer in der Ausnehmung AN eingebettet ist, dafür aber Reste an Verbindungsmitteln VM über der Oberfläche des Grundkörpers GK hinausragen. Eine solche Ausge- staltung wird auch erhalten, wenn das Schutzelement SE an nur wenigen Punkten mit Verbindungsmitteln in der Ausnehmung AN fixiert wird und erst anschließend die verbleibenden Fugen mit Verbindungsmittel aufgefüllt werden. Im nächsten Schritt wird eine plane Oberfläche geschaffen, wobei mit Hilfe eines Materialabtragungsprozesses, welcher in der Figur 9 durch Pfeile dargestellt ist, die Oberfläche mechanisch bearbeitet und dabei planarisiert wird. Dazu kann ein rein mechanisches Abschleifen oder ein chemisch unter- stütztes mechanisches Polieren (CMP) eingesetzt werden.
Alternativ kann die Oberfläche auch plan gefräst werden.
Figur 10 zeigt die Anordnung nach einer solchen
Planarisierung der Oberfläche, bei der die Oberseite des Schutzelements SE plan und bündig mit der Oberseite des
Grundkörpers GK abschließt, und bei auch das Verbindungs¬ mittel nicht über die Fuge zwischen Schutzelement SE und Grundkörper hinausragt bzw. quillt. Nach dem Aufbringen des Verbindungsmittels VM, welches vorteilhafterweise in pastöser oder flüssiger Form eingesetzt wird, kann anschließend ein Härtungsprozess erfolgen oder aktiv durchgeführt werden, um zum einen die mechanische
Fixierung des Schutzelements SE im Grundkörper sicherzu- stellen und um andererseits das ehemals flüssige oder pastöse Verbindungsmittel VM in einen gehärteten Zustand überzu¬ führen, der gegenüber späteren Verfahrensschritten zur
Weiterverarbeitung und insbesondere bei der Aufbringung von Kontaktflächen und dem Auflöten von Bauelementen ausreichend stabil ist.
Im nächsten Schritt wird auf den Oberseiten des Grundkörpers und des Schutzelements SE eine strukturierte metallische
Schicht SM aufgebracht und so strukturiert, dass sie spätere Anschlussflächen AF der Trägerplatte mit elektrischen
Anschlüssen des Schutzelements SE verbindet. Da das
Schutzelement SE üblicherweise zweipolig ist und auch die damit verbundenen Anschlussflächen AF in geradzahliger Anzahl vorliegen, kann ein jeder Anschluss des Schutzelements SE mit Hilfe der strukturierten metallischen Schicht SM mit einer Anschlussfläche AF verbunden werden. Alternativ wird die strukturierte metallische Schicht SM so strukturiert, dass sie eine Anschlussfläche ausbildet, die jeweils einen
Anschluss des Schutzelements SE kontaktiert. Eine solche Ausführung ist beispielsweise in der Figur 11 dargestellt.
Die strukturierte metallische Schicht SM kann in Form einer elektrisch leitfähigen Paste erzeugt werden, die durch
Einbrennen direkt in eine gut leitende Elektrodenschicht überführt werden kann. Möglich ist es auch, metallische
Partikel in möglichst kleinteiliger Form aufzubringen und durch Erhitzen in eine durchgängige Metallschicht zu
überführen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das
Aufschmelzen bei wesentlich niedrigeren Temperaturen weit unter dem eigentlichen Schmelzpunkt der metallischen Schicht erfolgen kann, wobei die metallischen Partikel in ein
Material bzw. eine Schicht überführt werden, das erst bei wesentlich höherer Temperatur zum Wiederaufschmelzen gebracht werden kann und daher auch bei höheren Temperaturen noch stabil bleibt. Möglich ist es auch, die strukturierte metallische Schicht SM aus einer über die Gasphase aufbringbaren Grundmetallisierung auszubilden, die anschließend durch ein galvanisches oder stromloses Verfahren mit einem elektrisch gut leitenden
Metall verstärkt wird. So ist es beispielsweise möglich, Gold oder Platin, Ti, Cr, Cu, Ni, Ag oder ein anderes Metall in dünner Schicht aufzusputtern und zu strukturieren. Die
Strukturierung kann durch Freiätzen oder Laserablation der nicht zu beschichtenden Bereiche erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, auf nicht zu beschichtende Bereiche eine Maske aufzubringen. Diese kann vor dem Erzeugen der
Grundmetallisierung aufgebracht und strukturiert werden, oder erst nach dem Erzeugen der Grundmetallisierung. Nach der galvanischen oder stromlosen Verstärkung der Grundmetallisierung, die zu einer Aufdickung der strukturierten metallischen Schicht SM führt, kann die Maske samt darüber liegender (lift-off Verfahren) oder darunter liegender
Grundmetallisierung entfernt werden, sodass eine gewünschte Strukturierung, beispielsweise in Form von Anschlussflächen und Verbindungsleitern zu den Anschlüssen des Schutzelements SE erhalten wird. Zur stromlosen Verstärkung können beliebig leitende Metalle wie beispielsweise Kupfer, Nickel oder auch Gold oder Palladium eingesetzt werden.
Figur 12 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine
Trägerplatte, bei der die Anschlussflächen AF das
Schutzelement SE teilweise überlappen, welches unterhalb der Anschlussflächen AF angeordnet ist. Durch die Überlappung wird gleichzeitig ein elektrischer Kontakt mit den
Anschlüssen des Schutzelements hergestellt. Durch die gestrichelte Linie ist die Grundfläche einer mit dem Anschluss B verbundene Metallisierungsebene ME des
Schutzelements SE angedeutet. Die Metallisierungsebenen sind alternierend mit den Anschlüssen A und B des Schutzelements SE verbunden.
Figur 13 zeigt in einer kombinierten Darstellung einen Querschnitt durch eine Trägerplatte auf einer Verfahrensstufe bei der Herstellung gemäß Figur 10, wobei der Querschnitt
perspektivisch zu einer räumlichen Darstellung erweitert ist. Der Schnitt ist durch den Grundkörper GK, die Durch- kontaktierungen DK, das Schutzelement SE und die Anschluss¬ kontakte AK geführt. In der perspektivischen Darstellung nur angedeutet sind elektrische Anschlüsse A und B des Schutz- elements SE . Die Durchkontaktierungen DK verbinden die
Außenkontakte AK auf der Unterseite elektrisch leitend mit der Oberseite, wo sie wiederum mit den Anschlussflächen AF in einem späteren, noch nicht dargestellten Verfahrensschritt kontaktiert werden. Nach dem Aufbringen einer strukturierten metallischen Schicht wird jeder der Anschlüsse A, B des
Schutzelements SE mit einer der beiden jeweils einer
Anschlussfläche zugeordneten Durchkontaktierung DK verbunden. Die Außenkontakte AK stellen den unten liegenden elektrischen Anschluss für die auf der Oberseite angeordneten Anschluss- flächen AF bzw. für Schutzelement SE und das später auf den Anschlussflächen AF zu montierende Bauelement dar.
Figur 14 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eine Trägerplatte, bei der auf die Anschlussflächen AF, welche aus der strukturierten metallischen Schicht SM ausgebildet sein können, ein elektrisches Bauelement BE aufgebracht ist. Als elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen des Bauelements und der Anschlussfläche AF der Trägerplatte kann beispielsweise eine Bump-Verbindung eingesetzt werden.
Möglich ist es auch, das Bauelement BE direkt als SMD- Bauelement aufzulöten oder mittels eines elektrisch
leitfähigen Klebers zu kontaktieren.
Das Bauelement BE ist beispielsweise eine LED, welche auf der Oberfläche eines keramischen Grundkörpers aufgebracht ist, in dem als Schutzelement SE ein Varistor eingebettet und mit den Anschlussflächen AF verbunden ist. Das Schutzelement SE wird dann parallel zu den Anschlüssen des Bauelements BE und der LED geschaltet, sodass diese gegen hohe Stromstöße, wie sie beispielsweise bei einer elektrostatischen Entladung (ESD) auftreten können, geschützt ist. Das Schutzelement SE kann Stromspitzen ström- oder spannungsabhängig unschädlich ableiten, stellt dabei einen Kurzschluss her, sodass das Bauelement BE bzw. die LED nicht durch die Überspannung beschädigt werden kann.
Da die Erfindung nur anhand einer begrenzten Anzahl an
Ausführungsformen und Figuren dargestellt werden konnte, ist sie nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt.
Insbesondere kann die Ausnehmung beliebig an der Oberseite oder Unterseite des Grundkörpers GK angeordnet sein oder gar durch den ganzen Grundkörper hindurch reichen. Die Ausnehmung kann zu einer beliebigen Tiefe des Grundkörpers geführt werden und ist vorzugsweise so bemessen, dass die mechanische Stabilität des Grundkörpers nicht darunter leidet. Die Zahl der Anschlussflächen AF ist vorzugsweise zwei, kann aber auch größer sein. Es können mehrere Anschlussflächen mit dem gleichen Anschluss des Schutzelements verbunden sein. Es können auch Anschlussflächen für mehr als ein
Bauelementvorgesehen und mit den dem gleichen Schutzelement verbunden sein. Die strukturierte metallische Schicht kann aus einem
beliebigen elektrisch leitenden Metall umfassenden Material ausgebildet sein und als alleinige Verbindung zur
Anschlussfläche oder als kombinierte Verbindung und
Anschlussfläche oder allein als Anschlussfläche im direkten Kontakt mit den Anschlüssen des Schutzelements ausgebildet sein .
Die Anzahl der Durchkontaktierungen DK entspricht zumindest der Anzahl der vorgesehenen und mit dem Schutzelement SE verbundenen Anschlussflächen, ist vorzugsweise jedoch größer gewählt, um eine verlustarme oder verlustfreie elektrische Verbindung von Oberseite und Unterseite der Trägerplatte zu gewährleisten .
Das Schutzelement kann passgenau in die Ausnehmung
eingebettet sein und mit Hilfe des Verbindungsmittels VM die Fuge vollständig ausfüllen. Möglich ist es jedoch auch, das Schutzelement SE an nur wenigen Punkten zu fixieren. Die verbleibende Fuge kann in einem späteren Verarbeitungsschritt mit einem beliebigen Füllmaterial, insbesondere mit einem isolierenden Material und beispielsweise mit einer moldbaren Masse ausgefüllt werden. Dies kann bei der späteren
Verkapselung eines Bauelements gemäß Figur 14 erfolgen oder auch bereits vorher vor dem Aufbringen der Anschlussfläche bzw. dem Auflöten des Bauelements erfolgen.
Der Grundkörper kann quaderförmig und flach ausgeführt sein. Der Grundkörper kann mehrere Bauelementbereiche aufweisen, von denen in den Figuren jeweils nur einer dargestellt ist, der genau einem Träger für ein Bauelement BE entspricht. Ein Träger kann jedoch auch mehrere Bauelemente BE tragen bzw. Anschlussflächen für mehrere Bauelemente aufweisen. Pro Bauelement kann ein Schutzelement vorgesehen sein. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Bauelemente parallel mit einem Schutzelement zu verschalten.
Bezugs zeichenliste
A, B Anschlüsse des Schutzelements
AF Anschlussflächen auf OS des GK
AK Außenkontakte auf US des GK
AN Ausnehmung
BE elektrisches Bauelement
BU Bump
DK Durchkontaktierung
GK Grundkörper mit
ME Verdrahtungsebene/Metallisierungsebene/
Metallschicht
OS Oberseite des GK
SE Schutzelement
SM strukturierte metallische Schicht
TP Trägerplatte, ggfs. vereinzelbar in Träger
US Unterseite des GK
VM Verbindungsmittel

Claims

Trägerplatte für ein elektrisches Bauelement
- mit einem mechanisch stabilen Grundkörper (GK) , der auf der Unterseite (US) Außenkontakte (AK) und auf der Oberseite (OS) Anschlussflächen (AF) für das Bauelement (BE) aufweist,
- mit einer Ausnehmung (AN) , in die ein ESD
Schutzelement (SE) zumindest teilweise eingebettet ist, wobei die elektrischen Anschlüsse des
Schutzelements von der Oberseite oder der
Unterseite des Grundkörpers zugänglich sind,
- bei der das Schutzelements mechanisch fest in der Ausnehmung des Grundkörpers mittels eines
Verbindungsmittels (VM) eingebettet ist,
- bei der die elektrischen Anschlüsse des
Schutzelements über eine strukturierte metallische Schicht (MS) mit den Anschlussflächen (AF) auf der Oberseite oder den Außenkontakten (AK) auf der Unterseite verbunden sind.
Trägerplatte nach Anspruch 1,
bei der das Schutzelement (SE) ein Varistor, eine Zenerdiode, ein TVS Bauelement oder ein anderes nicht-lineares Element ist.
Trägerplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Verbindungsmittel (VM) einen Kunststoff oder ein keramisches Material, Glas oder ein Metall umfasst . Trägerplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die nach außen weisende Oberfläche des
Schutzelements (SE) bündig mit einer Oberfläche des Grundkörpers (GK) abschließt,
bei der die strukturierte metallische Schicht (SM) auf den beiden bündigen Oberflächen aufliegt.
Trägerplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Außenkontakte (AK) und die
Anschlussflächen (AF) über Durchkontaktierungen (DK) elektrisch verbunden sind,
bei der der Grundkörper (GK) einen Mehrschichtaufbau aufweist
bei dem im Inneren des Grundkörpers ein
Verdrahtungsebene (MS) vorgesehen ist.
Trägerplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ausnehmung (AN) zwischen den
Anschlussflächen (AF) für das Bauelement (BE) oder darunter angeordnet ist,
bei der das Schutzelement (SE) so tief in dem
Grundkörper (GK) versenkt ist, dass das Bauelement zumindest teilweise über dem Schutzelement (SE) aufgebracht werden kann.
Trägerplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ausnehmung (AN) in Form eines Graben ausgebildet ist, der quer über den Grundkörper (GK) verläuft .
Trägerplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ausnehmung (AN) lateral vom Grundkörper (GK) umschlossen ist bei der die Ausnehmung (AN) vertikal durch den gesamten Grundkörper (GK) hindurch reicht.
Trägerplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, auf der eine Vielzahl von Bauelementbereichen mit Anschlussflächen (AF) und zumindest jeweils einer Ausnehmung (AN) vorgesehen sind,
wobei die Trägerplatte (TP) in einzelne Träger vereinzelbar ist, auf denen jeweils ein
Bauelementbereich für ein oder mehrere Bauelemente (BE) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Trägerplatte für ein Bauelement,
- bei dem ein kristalliner, keramischer oder
gläserner Grundkörper (GK) vorgesehen wird
- bei dem in einer Oberfläche des Grundkörpers eine Ausnehmung (AN) zur Aufnahme eines Schutzelements (SE) erzeugt wird
- bei dem ein Schutzelement (SE) zumindest teilweise in der Ausnehmung angeordnet und mittels eines Verbindungsmittels (VM) mechanisch fixiert wird,
- bei dem eine auf der Oberfläche von Grundkörper (GK) und Schutzelement (SE) aufliegende,
strukturierte metallische Schicht (SM) erzeugt wird,
- bei dem auf der Oberseite (OS) des Grundkörpers (GK) elektrische Anschlussflächen (AF) für das Bauelement (BE) vorgesehen werden
- bei dem die strukturierte metallische Schicht (SM) mit den Anschlüssen und den Anschlussflächen (AF) überlappt und diese elektrisch leitend verbindet, oder bei dem die strukturierte metallische Schicht (SM) die Anschlussflächen (AF) ausbildet und dabei so strukturiert ist, dass sie jeweils einen der elektrischen Anschlüsse des Schutzelements (SE) überlappt .
11. Verfahren nach Anspruch 10,
bei dem das Schutzelement (SE) nach der Fixierung in der Ausnehmung (AN) und vor dem Aufbringen der strukturierten metallischen Schicht (SM) von der Oberseite (OS) her soweit abgeschliffen wird, bis die
Oberseite des Schutzelements (SE) bündig mit der Oberseite des Grundkörpers (GK) abschließt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
bei dem die Ausnehmung (AN) durch Einsägen in den Grundkörper (GK) , Fräsen, Ätzen oder Laserbohren erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12,
bei dem das Erzeugen der strukturierten metallischen Schicht (SM) mindestens einen der folgenden Schritte umfasst :
- Aufdrucken einer elektrisch leitfähigen Masse
- Einbrennen einer elektrisch leitenden Paste
- Aufbringen einer Grundmetallisierung aus der
Gasphase und galvanisches Verstärken der
Grundmetallisierung oder durch Sputtern oder Aufdampfen
- Jetprinten mit einer elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Tinte.
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