WO2011000360A2 - Elektronische vorrichtung - Google Patents

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WO2011000360A2
WO2011000360A2 PCT/DE2010/000745 DE2010000745W WO2011000360A2 WO 2011000360 A2 WO2011000360 A2 WO 2011000360A2 DE 2010000745 W DE2010000745 W DE 2010000745W WO 2011000360 A2 WO2011000360 A2 WO 2011000360A2
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layer
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metal
insulating layer
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Jürgen SCHULZ-HARDER
Andreas Meyer
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Electrovac AG
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    • H10W40/255—
    • H10W72/07331—
    • H10W72/07336—
    • H10W72/07337—
    • H10W72/07351—
    • H10W72/30—
    • H10W90/734—

Definitions

  • the invention relates to electronic devices or to electronic circuits and / or a module according to the preamble of claim 1.
  • DCB method Direct Copper Bond Technology
  • metal layers or sheets eg copper sheets or sheets
  • metal or copper sheets or metal or copper foils which have on their surface sides a layer or a coating (reflow layer) of a chemical compound of the metal and a reactive gas, preferably oxygen, in this example in US-PS 3744 120 or in DE-PS 23 19 854 described method, this layer or coating (melting layer) forms a eutectic with a melting temperature below the
  • Melting temperature of the metal e.g., copper
  • the metal e.g., copper
  • This DCB method then indicates e.g. the following process steps:
  • active soldering method (DE 22 13 1 15; EP-A-153 618), for example, for joining metallizations forming metal layers or metal foils, in particular also of copper layers or copper foils with ceramic material.
  • this method which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800 - 1000 0 C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, using a brazing filler metal, which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold.
  • This active metal which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a connection between the solder and the ceramic by chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic braze joint ,
  • the object of the invention is to show electronic devices that are suitable for the cooling of power devices, i. of components that generate a significant power loss and thus high heat during operation, are optimized.
  • Claim 1 is formed.
  • the inventive design not only optimal cooling of power components in electronic devices, circuits or modules, but also the increase in reliability and life of such devices is taken into account, namely the fact that by the particular design of the at least one, the power device bearing first Metallmaschines Kunststoffs this acts as a cooling effect optimizing heat spreader, but at the same time the volume of the metallic material at this metallization is reduced so far that temperature changes that occur during operation of a device, for example, when switching loads, not to a destruction of the substrate and / or the components leads by thermally induced mechanical forces. Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • Fig. 1 in a simplified representation and in side view an electronic device
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion of the apparatus of FIG. 1;
  • FIGS. 3-5 each show the method steps of different methods for producing the
  • the electronic device denoted generally by 1 in the figures essentially consists in the illustrated embodiment of a metal insulating layer substrate 2 with a preferably ceramic insulating layer 3, on whose surface side a respective metallization 4 or 5 is provided.
  • the upper metallization 4 is structured, as indicated in FIG. 1 with the two metallization regions 4.1 and 4.2.
  • the lower metallization 5 is continuous, i. it extends to a free edge area over the entire lower
  • Suitable ceramics for the insulating layer 3 consist, for example, of aluminum oxide (Al 2 O 3), aluminum nitride (AlN),
  • the thickness of the insulating layer 3 is on the order of between about 0.15 mm and 1 mm.
  • Metallization areas 4.1 and 4.2 of the metallization 4 are, for example, copper, copper alloys or aluminum, aluminum alloys. With the insulating layer 3, the metallizations 4 and 5 or the metallization 4.1 and 4.2 by DCB bonding, by active soldering and / or by brazing, for example, under Use of a eutectic copper-silver solder or other suitable manner, for example by gluing connected.
  • the component 7 is a
  • Power device for example, a power semiconductor device or chip (IC), e.g. Transistor, diode, triac thyristor, etc. with increased power dissipation and increased cooling requirements, while the device 6 is such a low power and thus low power loss, such as a semiconductor circuit or - chip (IC) for driving the device.
  • IC power semiconductor device or chip
  • a special feature of the device 1 or of the metal insulating layer substrate 2 is that the structured metallization 4 essentially only in a partial area 4.2.1 below the respective power component 7, i. in the illustrated embodiment below the device 7 has an increased layer thickness D, otherwise the layer thickness d of the metallization 4 and their
  • Metallization region 4.2 can thus be so in terms of its shape
  • the partial area 4.2.1 with the layer thickness D and the partial area 4.2.2 surrounding the partial area 4.2.1 of the metallization area 4.2 is designed to be stepped at its edge 8, in such a way that the element 7 extends from the edge of the at the top level or from the edge of the sub-area 4.2.1 has a distance a1 which is at least equal to or slightly larger than the difference b of the layer thicknesses D and d, ie a1 ⁇ b.
  • the width a2 of the step formed by the stepped edge 8 is at least equal to the layer thickness d.
  • This formation or shaping of the metallization region 4.2 ensures that it can optimally act as a heat spreader for optimal cooling of the component 7, as indicated in FIG. 2 by the broken lines 9, which are opposite at an angle of 45 ° the plane of the surface sides of the insulating layer 3 or the metal insulating layer substrate 2 extend.
  • the metal volume of the metallization region 4.2 ensures that it can optimally act as a heat spreader for optimal cooling of the component 7, as indicated in FIG. 2 by the broken lines 9, which are opposite at an angle of 45 ° the plane of the surface sides of the insulating layer 3 or the metal insulating layer substrate 2 extend.
  • Metallization 4.2 and the insulating layer 3 is set to a life of the device 1 not impairing value.
  • the layer thickness, in particular of the metallization 4, outside of the power component 7 is selected such that a sufficiently large cross section is achieved for the conductor tracks produced by the structuring of the metallization 4 or for the currents to be expected.
  • the layer thickness D of the metallization 4 is chosen to be sufficiently large below the power component 7 for optimal cooling and in particular for optimal heat spreading.
  • the layer thicknesses D and d are chosen such that their difference b is equal to or greater than d / 2.
  • the relationship holds that the sum of the distances a1 and a2 is at least equal to, but preferably greater than, the layer thickness D which the metallization region 4.2 has under the component 7, that is to say a!
  • the layer thicknesses d of the metallization 4 outside the subsection 4.2.1 and the metallization 5 is, for example, in the order of magnitude between 0.05 mm and 0.8 mm; the layer thickness D then lies, for example, in the order of magnitude between 0.1 mm and 1.6 mm.
  • the surface area of the surface under the device 7 is about 5mm 2 to 180mm 2 , preferably 9mm 2 to 150mm 2 , which is more common for the arrangement
  • Semiconductor devices such as power transistors and diodes is sufficient, especially for such semiconductor devices, which are integrated
  • Semiconductor circuits consist of a control or switching element and a diode.
  • the device 1 is at least thermally connected to a cooler or a heat sink, as indicated in the figure 1 with the broken line.
  • the radiator 10 is for example a passive radiator, the heat loss via cooling surfaces, for example in the form of cooling fins
  • the at least one of a cooling medium for example, formed by a liquid cooling medium flow-through cooling channel.
  • connection between the metallization 5 and the radiator 10 is realized for example by gluing, sintering, soldering, DCB bonding.
  • gluing sintering, soldering, DCB bonding.
  • waiving the metallization 5 to provide the radiator 10 directly on the side facing away from the metallization 4 underside of the insulating layer 3, again by DCB bonding, active soldering, gluing, etc.
  • the described embodiment of the metal insulating layer substrate 2 furthermore has the advantage that due to the reduced layer thickness of the metallization 4 outside the subregion 4.2.1, fine structuring, in particular of the metallization region 4.1, is possible, specifically for the formation of finely structured conductor tracks.
  • Metallization region 4.2 is also a bending of the metal insulating layer substrate when heating due to the bimetallic effect avoided, but at least so far avoided that damage to the components 6 and 7 does not occur.
  • FIG. 3 shows, in positions a) -c), the steps of a production method for producing the metal insulating layer substrate 2.
  • a metal layer in the form of a metal foil 4 ' (eg copper or copper foil) is applied to the upper side of the insulating layer 3 Aluminum foil) with the layer thickness D and on the underside of the insulating layer 3, a metal layer in the form of a metal foil 5 'applied (for example, copper or aluminum foil) with the layer thickness d.
  • the metal foil 4 ' is masked there, where the metallization 4 of the finished substrate 2 is to have the layer thickness D, with a lacquer or photoresist or etching resist 11 (position a)).
  • the metal foil 4 ' is etched off until it then has the layer thickness d outside the etching resist 11 in accordance with the position b).
  • Metallization 4 is not provided, ie, except for the spaces between the metallization 4.1 and 4.2, so that after a further etching and removing the ⁇ tzresists 1 1, the structuring of the metallization 4 is reached (position c)).
  • the metallization 5 forming metal foil 5 'with the layer thickness d is protected during the entire structuring process, for example by covering with the ⁇ tzresists 1 1 or in any other suitable manner.
  • FIG. 4 shows, in positions a) -c), the steps of a production method in which first of all metal layers in the form of metal foils 4 'and 5' (eg copper or aluminum foil) with layer thickness d are applied to both surface sides of insulating layer ( Position a)).
  • metal foils 4 'and 5' eg copper or aluminum foil
  • the metal foil 4 ' is patterned into the foil region 4a', which forms the metallization region 4.1, and into the foil region 4b '.
  • a suitable method for example by galvanic and / or chemical
  • the metal of the additional metal layer 4b is, for example, the metal of
  • Metal foil 4 ' e.g. Copper, copper alloy, aluminum or aluminum alloy.
  • a metal which is different from the metal foil 4 ' may also be used for the additional metal layer 4b
  • Metal layer 4b "also be produced by laser sintering using a sintered metal material as a sintered layer.
  • the metal foil 5 'forming the metallization 5 is in turn protected during the entire process, for example by covering with a protective layer or in some other way.
  • FIG. 5 shows, in positions a) -c), the steps of a production method in which metal layers in the form of metal layers are firstly formed on both surface sides of the insulating layer 3 of metal foils 4 'and 5' (eg copper or aluminum foil) are applied with the layer thickness d.
  • the metal foil 4 is then structured in the foil regions 4a 'and 4b', for example by masking and etching (positions a) and b)).
  • Metal plate applied which is connected for example by DIRECT bonding or DCB bonding, by soldering, preferably by brazing with the metal layer 4b 'and so together with the film portion 4b' forms the subsection 4.2.1.
  • the application of the metal layer 4b "forming metal plate is particularly when the metal insulating layer substrate is prepared together with a variety of other substrates using a large-sized ceramic plate in multiple use, applied using a mask and / or in which the further metal layer 4b "forming platelets is part of a
  • the metallization 4 forms only two metallization regions 4.1 and 4.2.
  • the metallization 4 may of course also have a plurality of metallization regions 4.1 of lesser layer thickness and, in particular, also a plurality of metallization regions 4.2 for a plurality of power components 7.
  • the electronic device or its metal insulating layer substrate has only one or more metallization regions 4.2.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Insulated Metal Substrates For Printed Circuits (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

Elektronische Vorrichtung, insbesondere elektronischer Schaltkreis oder elektronisches Modul, mit wenigstens einem zumindest aus einer Isolierschicht und wenigstens einer ersten Metallisierung an einer Oberflächenseite der Isolierschicht bestehenden MetallIsolierschicht-Substrat, dessen erste Metallisierung zur Bildung von Metallisierungsbereichen strukturiert ist, sowie mit wenigstens einem Verlustwärme erzeugenden elektrischen oder elektronischen Bauelement an einem ersten Metallisierungsbereich der ersten Metallisierung, wobei der erste Metallisierungsbereich an einem Teilbereich, mit welchem das Bauelement zumindest thermisch verbunden ist, eine Schichtdicke aufweist, die wesentlich größer ist als die Schichtdicke des ersten Metallisierungsbereichs außerhalb dieses ersten Teilbereichs.

Description

Elektronische Vorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Vorrichtungen bzw. auf elektronische Schaltkreise und/oder ein Module gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Elektronische Vorrichtungen oder Schaltkreise bzw. Module diese Art sind in
zahlreichen Ausführungen bekannt.
Bekannt ist ferner das sogenannten„DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z.B. Kupferblechen oder -folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas , bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 3744 120 oder in der DE- PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der
Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:
> Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige
Kupferoxidschicht ergibt;
> Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
> Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1025 bis
10830C, z.B. auf ca. 1071 0C;
> Abkühlen auf Raumtemperatur.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren (DE 22 13 1 15; EP-A-153 618) z.B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 10000C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlot-Verbindung ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, elektronische Vorrichtungen aufzuzeigen, die hinsichtlich der Kühlung von Leistungsbauelementen, d.h. von Bauelementen, die im Betrieb auch eine erhebliche Verlustleistung und damit hohe Wärme erzeugen, optimiert sind. Zur Lösung dieser Aufgabe sind elektronische Vorrichtungen entsprechend dem
Patentanspruch 1 ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird nicht nur einer optimalen Kühlung von Leistungsbauelementen bei elektronischen Vorrichtungen, Schaltkreisen oder Modulen, sondern auch der Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer solcher Vorrichtungen Rechnung getragen, und zwar dadurch, dass durch die besondere Ausbildung des wenigstens einen, das Leistungsbauelement tragenden ersten Metallisierungsbereichs dieser als ein die Kühlwirkung optimierender Wärmespreizer wirkt, zugleich aber das Volumen des metallischen Materials an diesem Metallisierungsbereich soweit reduziert wird, dass Temperaturwechsel, die während des Betriebes einer Vorrichtung, beispielsweise beim Schalten von Lasten auftreten, nicht zu einer Zerstörung des Substrates und/oder der Bauelemente durch thermisch bedingte mechanische Kräfte führt. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und in Seitenansicht eine elektronische Vorrichtung
(Schaltkreis oder Modul) gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Vorrichtung der Figur 1 ;
Fig. 3 - 5 jeweils die Verfahrensschritte unterschiedlicher Verfahren zum Herstellen des
Metall-Isolierschicht-Substrates der Vorrichtung der Figuren 1 und 2.
Die in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete elektronische Vorrichtung besteht bei der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen aus einem Metall-Isolierschicht- Substrat 2 mit einer bevorzugt keramischen Isolierschicht 3, auf deren Oberflächenseite jeweils eine Metallisierung 4 bzw. 5 vorgesehen ist. Zur Bildung einer Leiterplatte bzw. zur Bildung von Kontaktflächen und Leiterbahnen ist die obere Metallisierung 4 strukturiert, wie dies in der Figur 1 mit den beiden Metallisierungsbereichen 4.1 und 4.2 angedeutet ist. Die untere Metallisierung 5 ist durchgehend ausgebildet, d.h. sie erstreckt sich bis auf einen freien Randbereich über die gesamte untere
Oberflächenseite der Isolierschicht 3. Geeignete Keramiken für die Isolierschicht 3 bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid (AI2O3), Aluminiumnitrid (AlN),
Siliziumnitrid (Si3N4) und/oder Siliziumcarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid (AI2O3 + ZrO2). Die Dicke der Isolierschicht 3 liegt in der Größenordnung zwischen etwa 0,15 mm und 1 mm.
Geeignete Materialien für die Metallisierungen 4 und 5 bzw. für die
Metallisierungsbereiche 4.1 und 4.2 der Metallisierung 4 sind beispielsweise Kupfer, Kupferlegierungen oder Aluminium, Aluminiumlegierungen. Mit der Isolierschicht 3 sind die Metallisierungen 4 und 5 bzw. die Metallisierungsbereiche 4.1 und 4.2 durch DCB-Bonden, durch Aktivlöten und/oder aber durch Hartlöten beispielsweise unter Verwendung eines eutektischen Kupfer-Silber-Lotes oder auf andere geeignete Weise z.B. durch Kleben verbunden.
Auf den Metallisierungsbereichen 4.1 und 4.2 sind elektronische Bauelemente 6 bzw. 7 durch Löten, Kleben, Sintern oder auf andere geeignete Weise befestigt, und zwar derart, dass insbesondere auch eine thermische Verbindung zwischen dem Bauelement 6 und dem Metallisierungsbereich 4.1 sowie zwischen dem Bauelement 7 und dem Metallisierungsbereich 4.2 besteht. Das Bauelement 7 ist dabei ein
Leistungsbauelement, beispielsweise ein Leistungshalbleiter-Bauelement oder -Chip (IC), z.B. Transistor, Diode, Triac Tyristor usw. mit erhöhter Verlustleistung und mit erhöhtem Kühlbedarf, während das Bauelement 6 ein solches geringer Leistung und damit auch geringer Verlustleistung ist, beispielsweise ein Halbleiter-Schaltkreis oder - Chip (IC) zum Ansteuern des Bauelementes 7.
Eine Besonderheit der Vorrichtung 1 bzw. des Metall-Isolierschicht-Substrates 2 besteht darin, dass die strukturierte Metallisierung 4 im Wesentlichen nur in einem Teilbereich 4.2.1 unterhalb des jeweiligen Leistungs-Bauelementes 7 , d.h. bei der dargestellten Ausführungsform unterhalb des Bauelementes 7 eine vergrößerte Schichtdicke D aufweist, ansonsten die Schichtdicke d der Metallisierung 4 und deren
Metallisierungsbereiche 4.1 und 4.2, auch des Teilbereichs 4.2.2 deutlich reduziert und etwa gleich der Schichtdicke d der unteren Metallisierung 5 ist. Der
Metallisierungsbereich 4.2 lässt sich also hinsichtlich seiner Formgebung so
beschreiben, dass er aus dem Teilbereich 4.2.1 mit der Schichtdicke D und aus dem diesen umgebenden Teil- oder Randbereich 4.2.2 mit geringerer Schichtdicke d besteht, wobei der Metallisierungsbereich 4.2 einstückig bzw. monolithisch mit diesen
Teilbereichen ausgeführt ist.
Durch den Teilbereich 4.2.1 mit der Schichtdicke D und durch den den Teilbereich 4.2.1 umgebenden Teilbereich 4.2.2 ist der Metallisierungsbereich 4.2 an seinem Rand 8 stufenförmig ausgeführt, zwar derart, dass das Bauelement 7 von dem Rand der obersten Stufe bzw. von dem Rand des Teilbereichs 4.2.1 einen Abstand a1 besitzt, der wenigstens gleich oder etwas größer ist als die Differenz b der Schichtdicken D und d, d.h. a1 ≥ b.
Weiterhin gilt, dass die Breite a2 der durch die abgestufte Rand 8 gebildeten Stufe wenigstens gleich der Schichtdicke d ist.
Durch diese Ausbildung oder Formgebung des Metallisierungsbereichs 4.2 ist gewährleistet, dass er in optimaler Weise als Wärmespreizer für eine optimale Kühlung des Bauelementes 7 wirken kann, wie dies in der Figur 2 mit den unterbrochenen Linien 9 angedeutet ist, die unter einem Winkel von 45° gegenüber der Ebene der Oberflächenseiten der Isolierschicht 3 oder des Metall-Isolierschicht-Substrates 2 verlaufen. Zugleich sind durch diese Ausgestaltung das Metallvolumen des
Metallisierungsbereichs 4.2 und damit auch die durch Temperaturwechsel bedingten mechanischen Spannungen zwischen der Metallisierung 4 bzw. dem
Metallisierungsbereich 4.2 und der Isolierschicht 3 auf einen die Lebensdauer der Vorrichtung 1 nicht beeinträchtigenden Wert eingestellt.
Im Übrigen gilt für die Schichtdicken d und D, dass die Schichtdicke insbesondere der Metallisierung 4 außerhalb des Leistungsbauelementes 7 so gewählt ist, dass für die durch die Strukturierung der Metallisierung 4 erzeugten Leiterbahnen bzw. für die zu erwartenden Ströme ein ausreichend großer Querschnitt erzielt ist, während die Schichtdicke D der Metallisierung 4 unterhalb des Leistungsbauelementes 7 für eine optimale Kühlung und dabei insbesondere für eine optimale Wärmespreizung genügend groß gewählt ist. Hierfür sind die Schichtdicken D und d so gewählt, dass deren Differenz b gleich oder größer d/2 ist. Weiterhin gilt die Beziehung, dass die Summe der Abstände a1 und a2 wenigstens gleich, bevorzugt aber größer ist als die Schichtdicke D, die der Metallisierungsbereich 4.2 unter dem Bauelement 7 aufweist, also a! + a2 > D. Die Schichtdicken d der Metallisierung 4 außerhalb des Teilbereichs 4.2.1 und der Metallisierung 5 liegt beispielsweise in der Größenordnung zwischen 0,05mm und 0,8mm, die Schichtdicke D liegt dann z.B. in der Größenordnung zwischen 0,1 mm und 1 ,6mm.
Um das Metallvolumen des Metallisierungsbereichs 4.2 möglichst klein zu halten, beträgt das Flächenmaß der Fläche unter dem Bauelement 7 etwa 5mm2 bis 180mm2, vorzugsweise 9mm2 bis 150mm2, was für die Anordnung üblicher
Halbleiterbauelemente, wie Leistungstransistoren und Dioden ausreichend ist, insbesondere auch für solche Halbleiterbauelemente, die als integrierter
Halbleiterschaltkreise aus einem Steuer- oder Schaltelement und einer Diode bestehen.
Über die Metallisierung 5 ist die Vorrichtung 1 zumindest thermisch mit einem Kühler oder einer Wärmesenke verbunden, wie dies in der Figur 1 mit der unterbrochenen Linie angedeutet ist. Der Kühler 10 ist beispielsweise ein passiver Kühler, der über Kühlflächen, beispielsweise in Form von Kühlrippen die Verlustwärme an die
Umgebung, beispielsweise an die umgebende Luft weiterleitet, oder aber ein aktiver Kühler, der wenigstens einen von einem Kühlmedium, beispielsweise von einem flüssigen Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal gebildet.
Die Verbindung zwischen der Metallisierung 5 und dem Kühler 10 ist beispielsweise durch Kleben, Sintern, Löten, DCB-Bonden realisiert. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, unter Verzicht auf die Metallisierung 5 den Kühler 10 direkt an der der Metallisierung 4 abgewandten Unterseite der Isolierschicht 3 vorzusehen, und zwar wiederum durch DCB-Bonden, Aktivlöten, Kleben usw.
Die beschriebene Ausbildung des Metall-Isolierschicht-Substrates 2 hat weiterhin auch den Vorteil, dass durch die reduzierte Schichtdicke der Metallisierung 4 außerhalb des Teilbereichs 4.2.1 eine feine Strukturierung insbesondere des Metallisierungsbereichs 4.1 ermöglicht, und zwar zur Bildung von fein strukturierten Leiterbahnen,
Kontaktflächen usw. Hiermit besteht insbesondere auch die Möglichkeit, komplexe Schaltungen, die eine Vielzahl von Bauelementen, insbesondere auch von aktiven Bauelementen aufweisen, zusammen mit wenigstens einem Leistungsbauelement kompakt, d.h. auf einem Metall-Isolierschicht-Substrat 2 mit kleinen Abmessungen zu realisieren. Durch die geringe Schichtdicke der Metallisierungen 4 und 5 und
insbesondere auch durch die Reduzierung des Metallvolumens des
Metallisierungsbereichs 4.2 wird weiterhin auch ein Verbiegen des Metall- Isolierschicht-Substrats beim Erwärmen aufgrund des Bimetalleffektes vermieden, zumindest aber soweit vermieden, dass eine Schädigung der Bauelemente 6 und 7 nicht eintritt.
Die Figur 3 zeigt in den Positionen a) - c) die Schritte eines Herstellungsverfahrens zum Herstellen des Metall-Isolierschicht-Substrates 2. Bei diesem Verfahren werden zunächst auf die Oberseite der Isolierschicht 3 eine Metallschicht in Form einer Metallfolie 4' (z.B. Kupfer- oder Aluminiumfolie) mit der Schichtdicke D und auf die Unterseite der Isolierschicht 3 eine Metallschicht in Form einer Metallfolie 5'(z.B. Kupfer- oder Aluminiumfolie) mit der Schichtdicke d aufgebracht. Die Metallfolie 4' wird dort, wo die Metallisierung 4 des fertigen Substrates 2 die Schichtdicke D aufweisen soll, mit einem Lack oder Photolack bzw. Ätzresist 1 1 maskiert (Position a))
Im Anschluss erfolgt ein Abätzen der Metallfolie 4', bis diese dann entsprechend der Position b) außerhalb des Ätzresists 11 die Schichtdicke d aufweist.
Anschließend wird die gesamte Oberfläche der verbliebenen Metallfolie 4' mit dem Ätzresist 1 1 abgedeckt, und zwar bis auf diejenigen Bereiche, an denen die
Metallisierung 4 nicht vorgesehen ist, d.h. u.a. bis auf die Zwischenräume zwischen den Metallisierungsbereichen 4.1 und 4.2, sodass nach einem nochmaligen Ätzen und Entfernen des Ätzresists 1 1 die Strukturierung der Metallisierung 4 erreicht ist (Position c)). Die die Metallisierung 5 bildende Metallfolie 5' mit der Schichtdicke d ist während des gesamten Strukturierungsprozesses beispielsweise durch Abdecken mit dem Ätzresists 1 1 oder auf andere geeignete Weise geschützt.
Die Figur 4 zeigt in den Positionen a) - c) die Schritte eines Herstellungsverfahrens, bei dem zunächst auf beide Oberflächenseiten der Isolierschicht 3 Metallschichten in Form von Metallfolien 4' und 5'(z.B. Kupfer- oder Aluminiumfolie) mit der Schichtdicke d aufgebracht werden (Position a)).
Durch Aufbringen eines Ätzresists 1 1 und durch einschließendes Ätzen wird die Metallfolie 4' in den Folienbereich 4a', der den Metallisierungsbereich 4.1 bildet, und in den Folienbereich 4b' strukturiert. Auf dem Folienbereich 4b' wird dann in einem geeigneten Verfahren, beispielsweise durch galvanisches und/oder chemisches
Abscheiden und/oder durch thermisches Spritzen und/oder in einem Plasmaverfahren eine zusätzliche Metallschicht 4b" aufgebracht, und zwar so, dass mit dem
Folienbereich 4b' und der zusätzlichen Metallschicht 4b"die für den
Metallisierungsbereich 4.2 erforderliche Formgebung erreicht wird.
Das Metall der zusätzlichen Metallschicht 4b" ist beispielsweise das Metall der
Metallfolie 4', z.B. Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung. Grundsätzlich kann für die zusätzliche Metallschicht 4b" auch ein von der Metallfolie 4' unterschiedliches Metall verwendet sein. Weiterhin kann die zusätzliche
Metallschicht 4b" auch durch Lasersintern unter Verwendung eines metallischen Sintermaterials als Sinterschicht erzeugt werden.
Die die Metallisierung 5 bildende Metallfolie 5' ist wiederum während des gesamten Prozesses geschützt, beispielsweise durch Abdecken mit einer Schutzschicht oder auf andere Weise.
Die Figur 5 zeigt in den Positionen a) - c) die Schritte eines Herstellungsverfahrens, bei dem zunächst auf beide Oberflächenseiten der Isolierschicht 3 Metallschichten in Form von Metallfolien 4' und 5'(z.B. Kupfer- oder Aluminiumfolie) mit der Schichtdicke d aufgebracht werden. Die Metallfolie 4 wird anschließend in die Folienbereiche 4a' und 4b' strukturiert, z.B. durch Maskieren und Ätzen (Positionen a) und b)).
Auf den Folienereich 4b' wird die zusätzliche Metallschicht 4b" in Form eines
Metallplättchens aufgebracht, welches beispielsweise durch DIRECT-Bonden oder DCB- Bonden, durch Löten, vorzugsweise durch Hartlöten mit der Metallschicht 4b' verbunden wird und so zusammen mit dem Folienbereich 4b' den Teilbereich 4.2.1 bildet. Das Aufbringen des die Metallschicht 4b" bildenden Metallplättchen erfolgt insbesondere dann, wenn das Metall-Isolierschicht-Substrat zusammen mit einer Vielzahl weiterer Substrate unter Verwendung einer großformatigen Keramikplatte im Mehrfachnutzen hergestellt wird, unter Verwendung einer Maske aufgebracht und/oder in das die weitere Metallschicht 4b" bildende Plättchen ist Bestandteil eines
beispielsweise durch Stanzen aus einer Metallfolie hergestellten Formteils, in welchem das jeweilige Plättchen über wenigstens einen Steg gehalten ist, der dann nach dem Verbinden des Plättchens mit der Metallschicht 4b' beispielsweise mechanisch oder aber auf andere geeignete Weise, z.B. durch Lasern abgetrennt wird.
Vorstehend wurde der einfacheren Darstellung wegen davon ausgegangen, dass die Metallisierung 4 lediglich zwei Metallisierungsbereiche 4.1 und 4.2 bildet. In der praktischen Ausführung der Vorrichtung 1 kann diese selbstverständlich auch mehrere Metallisierungsbereiche 4.1 geringerer Schichtdicke sowie insbesondere auch mehrere Metallisierungsbereiche 4.2 für mehrere Leistungsbauelemente 7 aufweisen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die elektronische Vorrichtung bzw. deren Metall- Isolierschicht-Substrat lediglich einen oder aber mehrere Metallisierungsbereiche 4.2 besitzt.
Die Erfindung wurde voranstehend aus Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass lediglich die Metallisierung 4 strukturiert ist. Selbstverständlich sind auch Ausführungen möglich, bei denen die Metallisierung 5 ebenfalls strukturiert ist.
Bezugszeichenliste
1 elektronische Vorrichtung oder Schaltkreis
2 Metall-Isolierschicht-Substrat
3 Isolierschicht
4, 5 Metallisierung
4.1 , 4.2 Metallisierungsbereich
4' Metallschicht oder Metallfolie
4b', 4b" Metallschicht
5 Metallisierung
6, 7 Bauelement
8 Stufe
9 Linie
10 Kühler
1 1 Schutzschicht oder Ätzresists
a Abstand zwischen Bauelement 7 und obersten Rand des
Metallisierungsbereichs 4.2
a2 Breite der Stufe 8
d Schichtdicke der Metallisierungen 4 und 5 außerhalb des
Bauelement 7 aufweisenden Teilbereichs 4.2.1
D Schichtdicke der Metallisierung 4 unterhalb des Bauelementes 7 b Differenz der Schichtdicken D und d

Claims

Patentansprüche
1. Elektronische Vorrichtung, insbesondere elektronischer Schaltkreis oder
elektronisches Modul,
mit wenigstens einem zumindest aus einer Isolierschicht (3) und wenigstens einer ersten Metallisierung (4) an einer Oberflächenseite der Isolierschicht (3) bestehenden Metall-Isolierschicht-Substrat (2), dessen erste Metallisierung (4) zur Bildung von Metallisierungsbereichen (4.1 , 4.2) strukturiert ist, sowie
mit wenigstens einem Verlustwärme erzeugenden elektrischen oder
elektronischen Bauelement (7) an einem ersten Metallisierungsbereich (4.2) der ersten Metallisierung (4),
wobei der erste Metallisierungsbereich (4.2) an einem Teilbereich (4.2.1), mit welchem das Bauelement (7) zumindest thermisch verbunden ist eine
Schichtdicke (D) aufweist, die wesentlich größer ist als die Schichtdicke (d) des ersten Metallisierungsbereichs (4.2) außerhalb dieses ersten Teilbereichs (4.2.1), dadurch gekennzeichnet,
dass die Differenz (b) der Schichtdicken (D, d) wenigstens gleich oder größer ist als die halbe Schichtdicke (d), die der erste Metallisierungsbereich (4.2) außerhalb des ersten Teilbereichs (4.2.1) aufweist, und dass der Abstand (a1 ), den das Bauelement (7) vom Rand des ersten Teilabschnitts (4.2.1 ) besitzt, gleich oder größer als die Differenz (b) der Schichtdicken (D, d) ist.
2. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Metallisierungsbereich (4.2) eine sich stufenförmig verändernde Schichtdicke aufweist, und zwar in der Weise, dass der erste Teilbereich (4.2.1 ) mit der größeren Schichtdicke (D) von einem Teilbereich (4.2.2) mit der reduzierten Schichtdicke (d) zumindest teilweise, vorzugsweise aber vollständig umschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierung (4) zusätzlich zu dem wenigstens einen ersten Metallisierungsbereich (4.2) wenigstens einen zweiten strukturierten
Metallisierungsbereich (4.1) aufweist, dessen Schichtdicke kleiner ist als die Schichtdicke (D) des ersten Teilbereichs (4.2.1), vorzugsweise gleich der Schichtdicke (d) ist, die der wenigstens eine erste Metallisierungsbereich (4.2.1 ) außerhalb seines ersten Teilbereichs (4.2.1) besitzt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass auf der der ersten Metallisierung (4) abgewandten
Oberflächenseite der Isolierschicht (3) eine zweite Metallisierung (5)
vorzugsweise eine durchgehende, d.h. nicht strukturierte zweite Metallisierung (5) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der ersten Metallisierung (4) außerhalb des ersten Teilbereich (4.2.1) und/oder die Schichtdicke der zweiten
Metallisierung (5) 0,5 mm bis 0,8 mm beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke der Isolierschicht (3) 0,15 mm bis 1 ,0 mm beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Isolierschicht eine Keramikschicht ist, vorzugsweise eine Keramikschicht aus AI2O3, AlN, Si3N4, SiC oder AI2O3 + ZrO2.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die von dem Bauelement (7) eingenommene Fläche ein Flächenmaß von 5mm2 - 180mm2, vorzugsweise ein Flächenmaß von 9mm2 bis 150mm2 aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Metallisierung aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
10.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verlustwärme erzeugende Bauelement (7) über eine Lot- oder Sinter- oder Klebeverbindung mit dem ersten Metallisierungsbereich (4.2) der ersten Metallisierung (4) verbunden ist.
11.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Isolierschicht beispielsweise über die zweite
Metallisierung (5) mit einem Kühler (10) verbunden ist, beispielsweise durch DCB-Bonden, Löten, auch Aktivlöten.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Metallisierungsbereiche (4.1 , 4.2) der ersten
Metallisierung (4) durch Stufenätzen erzeugt sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (D) des ersten Teilbereichs (4.2.1) durch Aufbringen einer zusätzlichen Metallschicht (4b") auf eine mit der Isolierschicht (3) verbundene Metallschicht (4', 4b'), und zwar beispielsweise durch
chemisches oder galvanisches Abscheiden und/oder durch Lasersintern und/oder durch Aufbringen eines Metallplättchens.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter Metallisierungsbereich (4.1 ) zur Bildung von Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen strukturiert ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass auf wenigstens einem zweiten Metallisierungsbereich (4.1 ), vorzugsweise auf wenigstens einem strukturierten Metallisierungsbereich (4.1 ) ein Bauelement (6) mit reduzierter Verlustleistung vorgesehen ist.
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