WO1999014806A1 - Trägerplatte für mikrohybridschaltungen - Google Patents

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Ulrich Goebel
Elmar Huber
Albert-Andreas Hoebel
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the carrier plate according to the invention has the advantage that a very good thermal connection of components or the substrate surface of a micro hybrid circuit is possible.
  • the carrier plate is characterized by high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion. Because of the relatively small difference between the thermal expansion coefficients of the micro hybrid circuit or carrier plate, both can be coated with a very thin adhesive layer and without great tension. be connected to each other. It is no longer necessary to use special heat-conducting substances.
  • FIG. 1 shows a section through a unit 1 according to the invention with a carrier plate 2 according to the invention in the form of an MMC heat sink and an electronic component 6.
  • the carrier plate 2 consists of a ceramic body 3 made of Al-Si cermet. It is a porous SiC ceramic, the cavities of which are infiltrated with aluminum. The manufacturing process is known per se; these materials can be obtained from Alcoa or Lanxide, for example. Depending on the application, the ceramic body 3 is approximately 0.3 to 2 mm thick.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trägerplatte (2) für Mikrohybridschaltungen (7) mit einem Keramikkörper (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Keramikkörper (3) ein poröser Körper ist, dessen Hohlräume mit Aluminium ausgefüllt sind. Aufgrund der relativ kleinen Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Trägerplatte (2) und Mikrohybridschaltung (7) ist eine sehr gute thermische Anbindung der Mikrohybridschaltungen (7) an die Trägerplatte (2) möglich.

Description

Träσerplattβ für Mikrohybridschaltungen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Trägerplatte für Mikrohybridschaltungen mit einem Keramikkörper.
Eine gattungsgemäße Trägerplatte ist in der Patentschrift US 5,576,934 offenbart. Sie besteht aus einer Keramikplatte, die auf ihrer Ober- und ihrer Unterseite mit einer Metallhaut aus Kupfer überzogen ist. Die Keramikplatte ist mit Ausnehmungen versehen, die von der Kupferhaut überbrückt werden. Diese Ausnehmungen dienen dazu, auf der Unterseite der Mikrohybridschaltungen angeordnete Bauteile aufzunehmen. Bei der Montage von Mikrohybridschaltungen auf der Trägerplatte wird die Kupferhaut im Bereich der Ausnehmungen eingedrückt, so daß diese Bauteile, insbesondere Wärme produzierende integrierte Schaltungen, in den Ausnehmungen aufgenommen! werden. Die thermische Anbindung der Bauteile an die Trägerplatte erfolgt über wärmeleitende Substanzen, insbesondere wärmeleitende Klebstoffe, die zwischen den Bauteilen und der Trägerplatte aufgebracht werden. Auf diese Weise kann die von den Bauteilen abgegebene Wärme direkt über die Trägerplatte abgeführt werden.
Der Aufbau von Mikrohybridschaltungen ist aber individuell verschieden. Daher kann man keine standardisierten Trägerplatten einsetzen, sondern muß sie einzeln mit den passenden Ausnehmungen versehen. Die Herstellung derartiger Trägerplatten ist daher sehr aufwendig und folglich auch sehr teuer.
Ein generelles Problem ist ferner die thermische Anbindung der Mikrohybridschaltungen auf der Trägerplatte. Dies liegt an den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die oben beschriebene Lösung mit wärmeleitenden Zwischenschichten erfordert zusätzliche Komponenten und Verf hrensschritte. Sie ist daher ebenfalls umständlich und teuer.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Trägerplatte, deren Keramikkörper ein poröser Körper ist, dessen Hohlräume mit einer metallischen Substanz infiltriert sind, hat demgegenüber den Vorteil, daß eine sehr gute thermische Anbindung von Bauteilen bzw. der Substrato- berflache einer Mikrohybridschaltung möglich ist. Die Trägerplatte zeichnet sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Aufgrund des relativ kleinen Unterschiedes zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Mikrohybridschaltung bzw. Trägerplatte können beide mit einer sehr dünnen Klebeschicht und ohne große Verεpannun- gen miteinander verbunden werden. Es ist nicht mehr notwendig, spezielle wärmeleitende Substanzen einzusetzen.
Derartige Trägerplatten sind durch einen Infiltrationsprozeß erhältlich, bei dem die Hohlräume mit dem Metall ausgefüllt werden. Dieser Materialtyp ist unter der Bezeichnung "Metal Matrix Composite" (im folgenden: MMC) bekannt.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Trägerplatte möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, die Trägerplatte mit einer zusätzlichen Metallhaut zu überziehen, welche insbesondere mit layout-spezifischen Vertiefungen versehen werden kann. Damit erhält man layout-spe- zifisch strukturierte Oberflächen unter Verwendung eines standardisierten Keramikkörpers. Die Herstellung derartiger layout-spezifischer Trägerplatten ist daher einfach und kostengünstig.
Ein bevorzugtes Material ist Al-Si-Cermet . Es besteht aus einer porösen SiC-Keramik, dessen Hohlräume mit Aluminium ausgefüllt sind. Eine daraus bestehende Trägerplatte kann dann mit einer Metallhaut aus Aluminium überzogen sein. Da Aluminium ein leicht bearbeitbares Metall ist, können die layout- spezifischen Strukturen sowohl durch mechanische Bearbeitung der Aluminiumschicht als auch durch Einsätze im Infiltrations- oder Gießwerkzeug eingebracht werden. Damit können Änderungen der Oberflä- chenstrukturen schnell realisiert werden. Auch dadurch gestaltet sich das Herstellungsverf hren einfach und kostengünstig.
Derartige Trägerplatten können z.B. aber auch lokal in größere Aluminium-Gußteile eingebracht werden. Auf diese Weise kann man eine Verbindung der bzgl . des thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepaßten Trägerplatte mit einem Gußgehäuse für Mikrohybrid- steuergeräte realisieren. Damit reduziert sich die Anzahl der Montageschritte. Ferner kann Keramikmaterial eingespart werden. Die Schlagzähigkeit der MMCs wird erhöht. Schließlich ist eine freie Formteilgestaltung analog zu reinen Gußteilen möglich.
Eine derartige Einbettung in Gußteile ist nicht nur bei Al-Si-Cermets möglich, sondern mit allen Metallen, mit denen die MMCs hergestellt werden können.
Ferner können zusätzliche isolierende Schichten und/oder metallische Schichten auf die Trägerplatte aufgebracht werden. In Verbindung mit zusätzlichen Isolationsschichten ist eine Isolation der Mikrohybridschaltung gegenüber der Trägerplatte mit hoher Spannungsfestigkeit möglich. Damit wird die ESD-Fe- stigkeit erhöht. Derartige Bauteile können für Hochspannungsanwendungen eingesetzt werden.
Zusätzliche Metallschichten bieten die Möglichkeit, eine zusätzliche Abschirmlage (z.B. Elektronikmasse) unabhängig vom Potential der Trägerplatte einzubringen . Die Metallhaut kann ferner strukturiert sein, so daß die Trägerplatte zusätzlich als Verdrahtungsebene genutzt werden kann. Auch diese Maßnahme spart Herstellungskosten.
Die erfindungsgemäße Trägerplatte erlaubt also auf einfache, kostengünstige Weise eine Vielzahl von Variationen für Mikrohybridschaltungen, je nach konkreter Anwendung.
Zeichnung
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Trägerplatte mit darauf befestigter Mikrohybridschaltung;
Figur 2 eine Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels analog zu Figur 1;
Figur 3 eine Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels analog zu Figur 1.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einheit 1 mit einer erfindungsgemäßen Trägerplatte 2 in Form eines MMC-Kühlkörpers und einem elektronischen Bauteil 6.
Die Trägerplatte 2 besteht aus einem Keramikkörper 3 aus Al-Si-Cermet . Dabei handelt es sich um eine poröse SiC-Keramik, deren Hohlräume mit Aluminium infiltriert sind. Der Herstellungsprozeß ist an sich bekannt; diese Materialien können z.B. von den Firmen Alcoa oder Lanxide bezogen werden. Der Keramikkörper 3 ist je nach Anwendung etwa 0,3 bis 2 mm dick.
Der Keramikkörper 3 ist an seiner Oberseite 3 ' und an seiner Unterseite 3 ' ' von einer Metallhaut 4 aus Aluminium überzogen. Die Schichtdicke der Metallhaut 4 beträgt etwa 0,6 mm.
Das in Figur 1 schematisch dargestellte Bauteil 6 besteht aus einer Mehrschicht-Mikrohybridschaltung 7 und zwei integrierten Schaltkreisen 9 und 11. Derartige Mikrohybridschaltungen 7 bestehen im allgemeinen aus einem keramischen Material und können verschiedene Komponenten (wie z.B. Widerstände oder Transistoren) aufweisen, die in die einzelnen Schichten integriert sind. Sie sind mittels Drähten 8, z.B. AI—Drahtbonden, mit hier nicht dargestellten externen Anschlüssen oder mit leitenden Strukturen auf der Metallhaut 4 der Trägerplatte 2 verbunden.
Die Mikrohybridschaltung 7 ist im Ausführungsbei- spiel mit zwei intergrierten Schaltkreisen 9 und 11, z.B. Flip-Chip-IC s ausgestattet. Der Schaltkreis 9 ist auf der Oberseite 7 ' der Mikrohybridschaltung 7 angeordnet und über Drähte 10 mit leitenden Strukturen auf Oberseite 7' der Mikrohybridschaltung verbunden. Der Schaltkreis 11 befindet sich auf der Unterseite 7'' der Mikrohybridschaltung 7. Die Metallhaut 4 weist eine Vertiefung 5 auf, die den integrierten Schaltkreis 11 auf der Unterseite 7 ' ' der Mikrohybridschaltung 7 aufnimmt . Die Schichtdicke der Metallhaut 4 beträgt an dieser Stelle nur noch 0,1 bis 0,2 mm. Die Vertiefung 5 ist layout-spezifisch, d.h. sowohl hinsichtlich ihrer Größe als auch hinsichtlich ihrer Position in der Metallhaut 4 individuell auf Größe und Position des Schaltkreises 11 auf der Unterseite 7'1 der Mikrohybridschaltung 7 abgestimmt. Die Vertiefung 5 kann durch mehrere Methoden eingebracht werden. Bei Kleinserien bietet sich eine mechanische Bearbeitung, z.B. Fräsen an. Insbesondere Aluminium kann sehr leicht mechanisch bearbeitet werden. Damit kann die Vertiefung 5 auch schnell an Änderungen im Layout der Mikrohybridschaltung 4 angepaßt werden. Eine andere Möglichkeit, die insbesondere bei Großserien vorteilhaft ist, besteht darin, die Vertiefung 5 während der Herstellung der Trägerplatte 2 anzubringen, z.B. mit Einsätzen im Infiltrationsbzw. Gießwerkzeug.
Die erfindungsgemäße Trägerplatte 2 zeichnet sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus, der demjenigen der Mikrohybridschaltung vergleichbar ist. Daher genügt es, die Mikrohybridschaltung 7 ohne Vorspannung lediglich mit einer dünnen Schicht aus einem Leitkleber 12 auf der Trägerplatte 2 zu fixieren. In der resultierenden Einheit 1 treten, bedingt durch die vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, keine nennenswerten Spannungen auf, die die Festigkeit der Verbindung zwischen Mikrohybridschaltung 7 und Trägerplatte 2 in relevantem Ausmaß beeinträchtigen könnten.
Durch die dünne Schicht des Leitklebers 12 kann auch die von den Schaltkreisen 9, 11 produzierte Wärme direkt an die erfindungsgemäße Trägerplatte 2 abgegeben werden, ohne daß es der Zwischenschaltung einer Schicht aus einer speziellen wärmeleitenden Substanz bedürfte. Da die erfindungsgemäße Trägerplatte 2 selbst gut wärmeleitend ist, wird die Wärme auch schnell und problemlos nach außen abgeführt .
Bei der Montage der Mikrohybridschaltung 7 auf der Trägerplatte 2 wird auch der Schaltkreis 11 in der Vertiefung 5 mit Leitkleber 12 fixiert.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Trägerplatte 2 ' in im wesentlichen derselben Anordnung wie Figur 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß auf der Metallhaut 4 der Trägerplatte 2 ' eine isolierende Schicht 13, z.B. aus einem keramischen Material oder einem Kunststoff vorgesehen ist. Der Mikrohybridschaltkreis 7 ist auf dieser Schicht 13 befestigt. Derartige Anordnungen erhöhen die ESD-Festigkeit und sind für Hochspannungsanwendungen geeignet.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Trägerplatte 2'', bei der auf der Metallhaut 4 eine weitere metallische Schicht 14 aufgebracht ist. Die Schicht 14 befindet sich auf einem anderen elektrischen Potential als die Trägerplatte 2. Derartige Schichten 14 bieten eine zusätzliche Abschirmlage unabhängig vom Potential der Trägerplatte 2 in Figur 1.

Claims

Patentansprüche
1.Trägerplatte (2) für Mikrohybridschaltungen (7) mit einem Keramikkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (3) ein poröser Körper mit Hohlräumen ist, wobei die Hohlräume mittels eines Infiltrations- bzw. Gießwerkzeugs mit einer metallischen Substanz infiltriert sind, und daß der Keramikkörper (3) zusätzlich mittels des Infiltrationsbzw. Gießwerkzeugs mit einer Metallhaut (4) überzogen ist.
2. Trägerplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Metallhaut (4) etwa 0,4 bis 0,8 mm, vorzugsweise etwa 0,6 mm beträgt.
3. Trägerplatte nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhaut (4) einen oder mehrere Bereiche mit reduzierter Schichtdicke aufweist, die layoutspezifische Vertiefungen (5) zur Aufnahme von Bauteilen (11) der Mikrohybridschaltungen (7) bilden.
4. Trägerplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Bereiche etwa 0,1 bis 0, 2 mm beträgt.
5. Trägerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Metall Aluminium ist .
6. Trägerplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie lokal in bestimmten Bereichen eines Aluminium-Gußteiles eingebracht ist .
7. Trägerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine zusätzliche isolierende Schicht (13) und/oder mindestens eine zusätzliche Metallschicht (14) auf eist.
8. Trägerplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Metallschicht (14) sich auf einem gegenüber den restlichen Schichten unterschiedlichen elektrischen Potential befindet.
9. Trägerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Metallschicht (4, 14) für Verdrahtungszwecke strukturiert ist.
10. Gußteil, insbesondere Aluminiumgußteil, mit darin eingebrachter Trägerplatte mit Keramikkörper für Mikrohybridschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (3) ein poröser Körper mit Hohlräumen ist, wobei die Hohlräume mittels eines Infiltrations- bzw. Gießwerkzeugs mit einer metallischen Substanz infiltriert sind, daß der Keramikkörper (3) zusätzlich mittels des Infiltrations- bzw. Gießwerkzeugs mit einer Metallhaut (4) überzogen ist und daß die Trägerplatte in das Gußteil eingebettet ist, wobei die Einbettung zusammen mit der Herstellung des Gußteils erfolgt ist und das Gußteil sowie die Metallhaut und die metallische Substanz aus dem gleichen Metall sind.
11. Verfahren zur Herstellung von Trägerplatten (2) für Mikrohybridschaltungen (7) mit einem porösen Keramikkörper, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Infiltrations- bzw. Gießwerkzeug Hohlräume des Keramikkörpers mit einer metallischen Substanz infiltriert werden und der Keramikkörper mit einer Metallhaut überzogen wird.
12. Verfahren zur Herstellung von Gußteilen mit darin eingebrachter Trägerplatte mit Keramikkörper für Mikrohybridschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Infiltrations- bzw. Gießwerkzeug Hohlräume des Keramikkörpers mit einer metallischen Substanz infiltriert werden, der Keramikkörper mit einer Metallhaut überzogen wird und eine Einbettung der Trägerplatte in das Gußteil erfolgt.
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