WO2016110531A1 - Leitfähige verbindung von lasereingebrachten signalleiterbahnen mit pastenmetallisierten pads auf aln substraten - Google Patents

Leitfähige verbindung von lasereingebrachten signalleiterbahnen mit pastenmetallisierten pads auf aln substraten Download PDF

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Definitions

  • step c direct the laser beam onto the connection area between the pads and the signal conductor tracks to create an electrically conductive connection area which forms the
  • the laser beam is preferably directed onto the adjacent pedestal starting from the signal conductor tracks.
  • the melting range can be sharply demarcated.
  • the metallic coating is gold or silver.
  • Connection region of the pad to the signal conductor is characterized in that the ceramic consists of aluminum nitride and is located on the signal conductor in the connection area molten metal of the pad.
  • FIG. 1 shows this substrate 1.
  • pads 2, ie metallizations which are intended to have a large thickness are printed on this substrate 1 made of AIN by a screen-printing method. This can also be done by multiple printing operations.
  • FIG. 2 shows this substrate 1 with the printed pads 2, which in the case shown consist of two layers.
  • the metallizations which later serve as signal conductor tracks 3 are introduced with a laser.
  • the laser beam is directed onto the substrate 1 along the signal conductor tracks 3 to be created. Due to the heat of the laser beam, the aluminum nitride changes into the electrically conductive aluminum at the location where the laser beam impinges on the substrate 1.
  • the laser beam is directed onto the connection area between the pads 2 and the signal conductor tracks 3, thus creating an electrically conductive connection area 4, which electrically connects the signal conductor tracks 3 to the pads 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungen auf keramische Substrate (1), wobei die Metallisierungen aus Pads (2) und aus Signalleiterbahnen (3) bestehen und die Pads (2) eine größere Dicke als die Signalleiterbahnen (3) aufweisen, und in zumindest einem Verfahrensschritt Metallisierungen mit dem an sich bekannten Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Damit kostengünstig Pads (2) mit einer großen Dicke und Signalleiterbahnen (3) mit einer geringen Dicke auf einem keramischen Substrat (1) aufgebracht werden können, werden die folgenden, der Reihe nach auszuführenden Verfahrensschritte vorgeschlagen: a) Verwendung eines keramischen Substrats (1) aus Aluminiumnitrid (AlN), b) Aufdrucken der Pads (2) mit dem Siebdruckverfahren unter Verwendung eines Siebs mit einem oder mehreren Druckvorgängen, c) Einbringen der Signalleiterbahnen (3) mit einem Laser, wobei der Laserstrahl entlang der zu schaffenden Signalleiterbahnen (3) auf das keramische Substrat (1) gelenkt wird und sich durch die Wärme des Laserstrahls am Ort des Auftreffens des Laserstrahls auf das Substrat (1) das Aluminiumnitrid des Substrats (1) in das elektrisch leitende Aluminium umwandelt, d) gleichzeitig oder nach dem Verfahrensschritt (c) Lenken des Laserstrahls auf den Verbindungsbereich (4) zwischen den Pads (2) und den Signalleiterbahnen (3) zur Schaffung eines elektrisch leitenden Verbindungsbereichs (4), der die Signalleiterbahnen (3) mit den Pads (4) elektrisch leitend verbindet, und e) optional galvanisches Aufbringen eines metallischen Überzugs auf die Pads (2) und die Signalleiterbahnen (3).

Description

Leitfähige Verbindung von lasereingebrachten Signalleiterbahnen mit
pastenmetallisierten Pads auf AIN Substraten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungen auf keramische Substrate, wobei die Metallisierungen aus Pads und aus Signalleiterbahnen bestehen und die Pads eine größere Dicke als die Signalleiterbahnen aufweisen, und in zumindest einem Verfahrensschritt Metallisierungen mit dem an sich bekannten Siebdruckverfahren aufgedruckt werden.
Es ist bekannt auf keramische Substrate Metallisierungen beliebiger Form und Größe mit einem Siebdruckverfahren aufzubringen und diese Metallisierungen mit einem galvanisch aufgebrachten metallischen Überzug zu versehen.
Üblicherweise müssen die Metallisierungen, die später einen hohen Strom leiten sollen, dicker ausgeführt werden. Nachfolgend werden diese Metallisierungen mit Pads bezeichnet. Diese Pads können jede Form aufweisen, wie rund, quadratisch, rechteckig oder auch bandförmig. Bei Signalleiterbahnen jedoch wird nur ein kleiner Strom übertragen, so dass die Dicke der Signalleiterbahnen gering sein kann. Mit Dicke wird der Stromleitungsquerschnitt verstanden. Werden sowohl die einen hohen Strom tragenden Metallisierungen, d.h. die Pads wie auch die Signalleiterbahnen mit einer großen Dicke aufgedruckt, ist dies durch das verwendete im Grunde unnötige Material teuer.
Um sowohl dünne Signalleiterbahnen als auch Pads auf einem keramischen Substrat aufzudrucken, können mit einem ersten Sieb die Signalleiterbahnen und mit einem zweiten Sieb die dicken Pads aufgedruckt werden. Auch dies ist durch die Verwendung zweier Siebe und damit zweier Druckvorgänge teuer. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass kostengünstig Pads mit einer großen Dicke und Signalleiterbahnen mit einer geringen Dicke auf einem keramischen Substrat aufgebracht werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
Damit kostengünstig Pads mit einer großen Dicke und Signalleiterbahnen mit einer geringen Dicke auf ein keramisches Substrat aufgebracht werden können, werden die folgenden, der Reihe nach auszuführenden Verfahrensschritte empfohlen: a. Verwendung eines keramischen Substrats aus Aluminiumnitrid (AIN), b. Aufdrucken der Pads mit dem Siebdruckverfahren unter Verwendung eines Siebs mit einem oder mehreren Druckvorgängen,
c. Einbringen der Signalleiterbahnen mit einem Laser, wobei der Laserstrahl
entlang der zu schaffenden Signalleiterbahnen auf das keramische Substrat gelenkt wird und sich durch die Wärme des Laserstrahls am Ort des Auftreffens des Laserstrahls auf das Substrat das Aluminiumnitrid des Substrats in das elektrisch leitende Aluminium umwandelt,
d. gleichzeitig oder nach dem Verfahrensschritt c Lenken des Laserstrahls auf den Verbindungsbereich zwischen den Pads und den Signalleiterbahnen zur Schaffung eines elektrisch leitenden Verbindungsbereichs, der die
Signalleiterbahnen mit den Pads elektrisch leitend verbindet und
e. optional galvanisches Aufbringen eines metallischen Überzugs auf die Pads und die Signalleiterbahnen.
Bevorzugt wird im Verfahrensschritt d der Laserstrahl ausgehend von den Signalleiterbahnen auf den angrenzenden Päd gelenkt. Hierdurch lässt sich der Schmelzbereich scharf abgrenzen. ln einer erfinderischen Ausgestaltung besteht der metallische Überzug aus Gold oder Silber.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zur Schaffung von in die
Signalleiterbahnen integrierten Widerständen Abschnitte der Signalleiterbahnen mit einem geringeren Stromleitungsquerschnitt als die umgebenden Signalleiterbahnen ausgebildet. lin der Leistungselektronik werden bevorzugt die leistungstragenden Schaltungs- elemente gedruckt und die Signalleitungen gelasert.
Ein erfindungsgemäßes keramisches Substrat mit Metallisierungen aus Pads und aus Signalleiterbahnen, wobei die Pads eine größere Dicke als die
Signalleiterbahnen aufweisen, und mit einem elektrisch leitenden
Verbindungsbereich des Pads zur Signalleiterbahn, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus Aluminiumnitrid besteht und sich auf der Signalleiterbahn im Verbindungsbereich geschmolzenes Metall des Pads befindet.
Die Signalleiterbahnen bestehen erfindungsgemäß aus elektrisch leitendem
Aluminium. Zumindest direkt auf dem Substrat. Das Aluminium kann durch andere Metalle aufgebaut sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von vier Figuren weiter beschrieben. Erfindungsgemäß wird ein keramisches Substrat 1 aus Aluminiumnitrid (AIN) verwendet. Figur 1 zeigt dieses Substrat 1 . Auf dieses Substrat 1 aus AIN werden in einem ersten Verfahrensschritt Pads 2, d.h. Metallisierungen, die eine große Dicke aufweisen sollen, mit einem Siebdruckverfahren aufgedruckt. Dies kann auch durch mehrere Druckvorgänge erfolgen. Figur 2 zeigt dieses Substrat 1 mit den aufgedruckten Pads 2, die in dem gezeigten Fall aus zwei Schichten bestehen. Anschließend werden in einem dritten Verfahrensschritt (siehe Figur 3) mit einem Laser die Metallisierungen eingebracht, die später als Signalleiterbahnen 3 dienen. Hierzu wird, wie in WO 2013/072457 A1 beschrieben (nachfolgend auch Embedded Verfahren genannt), der Laserstrahl entlang der zu schaffenden Signalleiterbahnen 3 auf das Substrat 1 gelenkt. Durch die Wärme des Laserstrahls wandelt sich am Ort des Auftreffens des Laserstrahls auf das Substrat 1 das Aluminiumnitrid in das elektrisch leitende Aluminium um. In einem vierten Verfahrensschritt, der mit dem dritten Verfahrensschritt bevorzugt verbunden ist, wird der Laserstrahl auf den Verbindungsbereich zwischen den Pads 2 und den Signalleiterbahnen 3 gelenkt und so ein elektrisch leitender Verbindungsbereich 4 geschaffen, der die Signalleiterbahnen 3 mit den Pads 2 elektrisch leitend verbindet.
In bevorzugter Ausführungsform wird der Laserstrahl, ausgehend von den Signalleiterbahnen 3, auf den angrenzenden Päd 2 gelenkt. Hierdurch schmilzt unter dem Laserstrahl die Metallisierung des Päd 2 und fließt auf die angrenzende Signalleiterbahn 3. Der Verbindungsbereich 4 ist der Bereich auf dem Päd 2, der vom Laserstrahl bestrahlt wurde und der Bereich auf den Signalleiterbahnen 3, mit dem sich die geschmolzene Metallisierung des Pads verbindet. Figur 3 zeigt den Verbindungsbereich 4 nur schematisch.
In einem optionalen fünften Verfahrensschritt (siehe Figur 4) wird galvanisch ein metallischer Überzug aus zum Beispiel Gold oder Silber auf die Pads 2 und die Signalleiterbahnen 3 aufgebracht.
Für Leistungselektronik werden Leiterbahnen mit dickem Querschnitt verwendet um hohe Ströme zu leiten, und dünne Signalleiterbahnen 3, um Steuersignale zu leiten. Bei einer Verwendung von gedruckten Signalleiterbahnen 3 entstehen Kosten für Paste, die man sich über das beschriebene Embedded Verfahren sparen kann.
Über das Embedded Verfahren können jedoch keine Signalleiterbahnen 3 mit großem Querschnitt erzeugt werden, die nötig sind um hohe Ströme zu leiten. Um kosteneffizient solche Bauteile herzustellen, ist es erfindungsgemäß nötig, beide Verfahren zu kombinieren.
Ohne das durch die Erfindung beschriebene Verfahren, ist es nicht möglich diese beiden Verfahren zu kombinieren. Erfindungsgemäß wird auf der AIN-Keramik durch die Überlappung von lasereingebrachten Signalleiterbahnen 3 mit pastenmetallisierten Strukturen (Pads 2) ein leitfähiger Verbindungsbereich 4 geschaffen. Bisher kommt es bei der Verwendung von pastenmetallisierten Signalleiterbahnen zu einigen Problemen. Im Sinne von 3iP (Leistungselektronik), bei der stromtragende dicke Metallisierungen mit dünnen Signalleitungen kombiniert werden, kann es zu zusätzlichen Kosten (Verwendung mehrerer unterschiedlicher Siebe) und zu Problemen bei der Wahl der Metallisierungspaste (Signalleitungen wurden nur in Grundpaste ausgeführt, die zu Problemen in der galvanischen Behandlung führen).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren spart man sich das Sieb und die Paste für die Signalleitungen und die entstehende AI-Schicht ist gut galvanisch aufzubauen.
Im Sinne von Lichtanwendungen, bei der Lötstopplacke verwendet werden, kommt es zum Problem, dass durch den Höhenunterschied zwischen Keramik und Metallisierungsoberfläche keine gleichmäßige Dicke des Lötstopplackes zu realisieren ist. Die auszusparenden Lötpads werden bei der Erfindung frei gelassen. Die lotstopplackbedeckten Leiterbahnen sind sehr eben, wodurch es zu einer gleichmäßigen Schichtdicke des Lackes kommt. Ebenso wird auch Metallisierungspaste gespart.
Die durch den Laserstrahl entstandene Signalleiterbahn (Aluminiumleiterbahn) hat einen gewissen Widerstand. Diesen kann man durch galvanische Aufbauten weiter reduzieren. Bei geeignetem Layout kann man somit bestimmte Widerstände direkt in die Leiterplatte integrieren.
Ein Problem, welches derzeit noch bei den direkt gelaserten Leiterbahnen auftritt, ist eine zu schwankende Haftung beim Belöten der Teile. Dieses wird durch die gedruckten Löt-/Bondpads relativiert.
Die Erfindung beschreibt somit das Verbinden von Metallisierungspads auf AIN- Keramik mit lasergefertigten galvanisierten Signalleiterbahnen. Mit Laser
eingebrachte Signalleiterbahnen kann man zum Beispiel als Steuerungsschaltungen für dick metallisierte Signalleiterbahnen (Leistungselektronik) oder als Verbindung zwischen Löt- oder Bondpads verwenden. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um ohne Sieb- und Pastenkosten individuelle Signalleiterbahnen zu erschaffen oder um Paste durch Wegfallen der Steuerungsschaltungen zu sparen.
Für die Leistungselektronik werden zurzeit die Steuerungsschaltungen mit einer dünnen Schicht Paste gedruckt und die leistungstragenden Schaltungsteile mit dicker Metallisierung weiter aufgebaut. Dies benötigt mindestens zwei verschiedene Siebe und es kann zu Problemen kommen bzgl. der Pastenwahl (u.a. Dicke der Grund- / Deckpaste, Galvanisierbarkeit).
Bei Lichtanwendungen wird das komplette Layout gedruckt. Hier kann es aber bei der Verwendung von Lötstoppmasken häufig zu Problemen kommen wegen der Höhe der Signalleiterbahnen (Höhendifferenz zwischen Signalleiterbahnen und Keramik) Gemäß der Erfindung werden bei der Leistungselektronik die leistungstragenden Schaltungselemente gedruckt und die Signalleitungen gelasert. Es entfällt die Verwendung verschiedener Siebe.
Bei Lichtanwendungen werden die Teile der Signalleiterbahnen auf denen gebondet oder gelötet wird mit Paste aufgebracht und der Rest mit Laser eingebracht. Die Lötstoppmaske kann danach problemlos über die Signalleiterbahnen gedruckt werden, da diese nahezu keine Erhöhung haben.
Über die Länge und Art der galvanischen Behandlung kann auch der Widerstand der entstehenden Signalleiterbahnen reguliert werden.
Der Prozesshergang ist die vollständige Prozessierung der Metallisierung bis kurz vor der Galvanik, Einbringung der gelaserten Signalleiterbahnen mit einer
Überlappung auf die Metallisierungspads, Ultraschallreinigen oder Bürsten zur Entfernung des Schmauches und folgende Galvanik (Ni/Au)

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungen auf keramische Substrate (1 ), wobei die Metallisierungen aus Pads (2) und aus Signalleiterbahnen (3) bestehen und die Pads (2) eine größere Dicke als die Signalleiterbahnen (3) aufweisen, und in zumindest einem Verfahrensschritt Metallisierungen mit dem an sich bekannten Siebdruckverfahren aufgedruckt werden, gekennzeichnet durch die folgenden, der Reihe nach auszuführenden Verfahrensschritte:
f. Verwendung eines keramischen Substrats (1 ) aus Aluminiumnitrid (AIN), g. Aufdrucken der Pads (2) mit dem Siebdruckverfahren unter Verwendung eines Siebs mit einem oder mehreren Druckvorgängen,
h. Einbringen der Signalleiterbahnen (3) mit einem Laser, wobei der Laserstrahl entlang der zu schaffenden Signalleiterbahnen (3) auf das keramische Substrat (1 ) gelenkt wird und sich durch die Wärme des Laserstrahls am Ort des Auftreffens des Laserstrahls auf das Substrat (1 ) das Aluminiumnitrid des Substrats (1 ) in das elektrisch leitende Aluminium umwandelt,
i. gleichzeitig oder nach dem Verfahrensschritt c Lenken des Laserstrahls auf den Verbindungsbereich (4) zwischen den Pads (2) und den Signalleiterbahnen (3) zur Schaffung eines elektrisch leitenden Verbindungsbereichs (4), der die Signalleiterbahnen (3) mit den Pads (4) elektrisch leitend verbindet und
j. optional galvanisches Aufbringen eines metallischen Überzugs auf die Pads (2) und die Signalleiterbahnen (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt d der Laserstrahl ausgehend von den Signalleiterbahnen (3) auf den angrenzenden Päd (3) gelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Überzug aus Gold oder Silber besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung von in die Signalleiterbahnen (3) integrierten Widerständen Abschnitte der Signalleiterbahnen (3) mit einem geringeren Stromleitungsquerschnitt als die umgebenden Signalleiterbahnen (3) ausgebildet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leistungselektronik die leistungstragenden Schaltungselemente gedruckt und die Signalleitungen (4) gelasert werden.
6. Keramisches Substrat (1 ) mit Metallisierungen aus Pads (2) und aus Signalleiterbahnen (3), wobei die Pads (2) eine größere Dicke als die Signalleiterbahnen (3) aufweisen, und mit einem elektrisch leitenden Verbindungsbereich (4) des Pads (2) zur Signalleiterbahn (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus Aluminiumnitrid besteht und sich auf der Signalleiterbahn (3) im Verbindungsbereich (4) geschmolzenes Metall des Pads (2) befindet.
7. Substrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleiterbahnen (3) aus elektrisch leitendem Aluminium besteht.
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